Pluma tipo “FANNING”

Universidade Federal do Paraná
Engenharia Civil
Ciências do Ambiente
Aula 16 – O Meio Atmosférico I:
Propriedades e Mecanismos
Profª Heloise G. Knapik
2º Semestre/ 2015
1
Atmosfera: características e composição
Distribuição percentual média de gases da
atmosfera terrestre
Gases
(%)
Nitrogênio (N2)
78,11
Oxigênio (O2)
20,95
Argônio (Ar)
0,934
Gás Carbônico (CO2)
0,033
Camadas da
atmosfera
TROPOSFERA: altitude de 10 km
(variável conforme a latitude e o
tempo – 16,5 km no Equador e 8,5
km nos Pólos)
ESTRATOSFERA: altitude de 50 km
MESOSFERA: altitude de 80 km
TERMOFESRA: altitude de 500 km
EXOSFERA (IONOSFERA): =/- de
500 km
Estratificação
térmica da
atmosfera
Troposfera
Estratosfera
95% do ar
Ozonosfera
Região
responsável
pelas mudanças
no tempo
Absorção de
raios ultravioleta
Perfil de temperatura na atmosfera
Resultado da
estratificação dos gases
que compõem a
atmosfera, da
incidência de radiação
solar no nosso planeta
e da dispersão dessa
radiação de volta para o
espaço
Camadas da atmosfera com
importância ambiental:
Troposfera
• Camada na qual se
desenvolvem todos os
processos climáticos que
regem a vida na Terra
• Ocorrência de fenômenos
relacionados à poluição do
ar
Ozonosfera
(Estratosfera)
• Camada onde ocorrem as
reações que são essenciais
para o desenvolvimento
das espécies vivas em
nosso planeta
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
PERFIL TÉRMICO DA
ATMOSFERA:
relação direta com a
capacidade de
dispersão de
poluentes por
MISTURA VERTICAL
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Gradiente de temperatura adiabático seco:
decréscimo da temperatura com a altitude (-1ºC para cada
100 metros de acréscimo)
O gradiente de
temperatura
adiabático seco
serve como fronteira
entre o ar estável e
o ar instável
(< 1ºC/100m)
(> 1ºC/100m)
Adiabático:
não ganham nem
perdem calor
(ar quente acima
do ar frio)
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
ATMOSFERA
SUPERADIABÁTICA:
Condição instável e
desejada por
dispersar rapidamente
os poluentes na
atmosfera
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
INVERSÃO TÉRMICA:
quando a temperatura
aumenta com a
altitude
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Ocorre quando a convecção natural é dificultada pela
inversão do gradiente de temperatura em função da
altitude
O solo frio não aquece o ar, que com menores
densidades, tenderiam a mover-se para altitudes mais
elevadas, fazendo circular o ar (ar quente sobe e ar frio
desce)
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Importância ambiental: aumento da
concentração de poluentes próximo ao
solo
Exemplo: 1952 em Londres, a inversão
térmica concentrou poluentes da
combustão de carvão (enxofre)
provocando a morte de 4.000 pessoas
(The Great Smog)
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
INVERSÃO DE
TEMPERATURA
(a) Por radiação
(b) Por subsidência (correntes de ar
descendentes)
(c) Por combinação de dois casos
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Processos de dispersão
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Pluma tipo “LOOPING”
Perfil térmico SUPERadiabático (atmosfera instável)
- Muita turbulência na atmosfera
- Ocorrem em dias de céu claro com poucas nuvens e muita insolação (típicos de
verão)
- Aumento da concentração de poluentes perto do solo em locais próximos da
fonte
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Pluma do tipo “CONNING”
Perfil térmico SUBadiabático (atmosfera neutra)
- Menor dispersão
- Aumento da concentração de poluentes perto do solo em locais distantes da fonte
- Ocorre em dias nublados, com ventos moderados
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Pluma tipo “FANNING”
Perfil de Inversão térmica e estabilidade
- Atmosfera estável associado a isotermia
- Ocorre a noite ou ao amanhecer associado a uma inversão térmica (ventos fracos
e céu claro)
- Aparência estreita, com pequena difusão na vertical
- Dispersão lenta, valores altos de concentração no interior da pluma
- Pequena probabilidade de contato com o solo (exceto chaminés baixas)
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Pluma do tipo “LOFTING”
Perfil de inversão térmica
- Lançamento acima da camada de inversão
- Ocorre ao anoitecer (quando a inversão por radiação se inicia)
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Pluma do tipo “FUMIGATION”
Quebra da inversão térmica
- Ocorre nas primeiras horas da manha (ventos fracos à moderados), devido à
dissipação da camada de inversão térmica formada durante a noite
- Elevados teores de poluentes ao nível do solo (perfil perigoso)
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Pluma do tipo “TRAPPING”
Camada de inversão térmica
- Pluma retida entre duas camadas de inversão térmica
- Atmosfera é estável e não ocorre muita dispersão dos poluentes
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Comportamento da pluma – depende do clima da região
Chaminés em
locais de clima
quente e seco:
• Looping ao entardecer
• Lofting ou fanning ao amanhecer
Chaminés em
locais de clima
úmido:
• Coning em dias nublados
Meteorologia e dispersão de poluentes na
atmosfera
Efeito da rugosidade terrestre no perfil de velocidades do
vento
Com o decréscimo da rugosidade, o perfil torna-se mais uniforme
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
Avaliar impactos ao meio ambiente
Simular os mecanismos de circulação de poluentes
Simulação e previsão de alterações climáticas
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
Fenômeno de fundamentar importância para o
transporte de poluentes na atmosfera é a
movimentação do ar :
ADVECÇÃO E DIFUSÃO TURBULENTA
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
ADVECÇÃO: movimento médio do ar carregando os
poluentes junto com o vento médio
DIFUSÃO TURBULENTA: espalha os poluentes no
espaço de maneira tridimensional
Modelagem do transporte de poluentes depende da descrição
da circulação da atmosfera dentro da região de interesse
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
Dados de VENTO e de COEFICIENTES DE DIFUSÃO
TURBULENTA podem ser obtidos por:
- Medições no local
- Obtidos por modelos de circulação atmosférica
- Estimados de modo simplificado
Variáveis influenciadas por fatores locais como a presença de
edificações e de relevo – caminhos preferenciais de circulação
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
Distribuição vertical de temperaturas podem inibir ou
intensificar o movimento vertical de massas de ar –
afetam a capacidade de TRANSPORTE DE POLUENTES
Aquecimento solar intensifica a TURBULÊNCIA
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
CONCENTRAÇÃO DE POLUENTES também depende de:
FORMA DE EMISSÃO no meio – CONSTANTE ou VARIÁVEL NO
TEMPO
POSIÇÃO ESPACIAL que o despejo ocupa
TAXA DE EMISSÃO
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
Pluma Gaussiana – integração analítica da equação de
transporte
𝑄
𝑦2
𝐶 𝑥, 𝑦, 𝑧 =
𝑒𝑥𝑝 −
2𝜋𝑈𝜎𝑦 𝜎𝑧
2𝜎²𝑦
1 𝐻−𝑧
𝑒𝑥𝑝 −
2 𝜎𝑧
2
1 𝐻+𝑧
+ 𝑒𝑥𝑝 −
2 𝜎𝑧
2
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
Pluma Gaussiana – integração analítica da equação de
transporte
𝑄
𝑦2
𝐶 𝑥, 𝑦, 𝑧 =
𝑒𝑥𝑝 −
2𝜋𝑈𝜎𝑦 𝜎𝑧
2𝜎²𝑦
1 𝐻−𝑧
𝑒𝑥𝑝 −
2 𝜎𝑧
2
1 𝐻+𝑧
+ 𝑒𝑥𝑝 −
2 𝜎𝑧
CONCENTRAÇÃO:
Diretamente proporcional à taxa de emissão
Inversamente proporcional à velocidade do vento
2
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
Pluma Gaussiana – integração analítica da equação de
transporte
Modelagem matemática do transporte de
poluentes atmosféricos
Pluma Gaussiana – integração analítica da equação de
transporte
Hipóteses simplificadoras:
- Vento tem intensidade, direção e sentido constantes
- Terreno é totalmente plano
- Carga poluidora é pontual e constante
- Difusão turbulenta na direção do vento é desprezada em função da maior
importância da advecção nessa direção
- Coeficientes de difusão turbulenta nas outras direções também são
constantes
- Não existe perda de material poluidor por qualquer mecanismo físico,
químico e biológico