Modelagem de dispersão atmosférica - Atmospheric dispersion modeling

Fonte de poluição do ar industrial

A modelagem de dispersão atmosférica é a simulação matemática de como os poluentes do ar se dispersam na atmosfera ambiente . É realizado com programas de computador que incluem algoritmos para resolver as equações matemáticas que regem a dispersão dos poluentes. Os modelos de dispersão são usados ​​para estimar a concentração ambiental a favor do vento de poluentes atmosféricos ou toxinas emitidas por fontes como plantas industriais, tráfego de veículos ou liberação acidental de produtos químicos. Eles também podem ser usados ​​para prever concentrações futuras em cenários específicos (ou seja, mudanças nas fontes de emissão). Portanto, eles são o tipo dominante de modelo usado na formulação de políticas de qualidade do ar. Eles são mais úteis para poluentes que são dispersos por grandes distâncias e que podem reagir na atmosfera. Para poluentes que têm uma variabilidade espaço-temporal muito alta (ou seja, têm uma distância muito íngreme para a decomposição da fonte, como o carbono negro ) e para estudos epidemiológicos , modelos estatísticos de regressão do uso da terra também são usados.

Modelos de dispersão são importantes para agências governamentais encarregadas de proteger e gerenciar a qualidade do ar ambiente . Os modelos são normalmente empregados para determinar se as novas instalações industriais existentes ou propostas estão ou estarão em conformidade com os Padrões Nacionais de Qualidade do Ar Ambiental (NAAQS) nos Estados Unidos e em outras nações. Os modelos também servem para auxiliar no desenho de estratégias de controle eficazes para reduzir as emissões de poluentes atmosféricos prejudiciais. Durante o final dos anos 1960, o Escritório de Controle de Poluição do Ar da EPA dos EUA iniciou projetos de pesquisa que levariam ao desenvolvimento de modelos para uso por planejadores urbanos e de transporte. Uma aplicação importante e significativa de um modelo de dispersão de rodovia que resultou de tal pesquisa foi aplicada à Spadina Expressway do Canadá em 1971.

Modelos de dispersão de ar também são usados ​​por equipes de segurança pública e pessoal de gerenciamento de emergência para planejamento de emergência de liberações químicas acidentais. Modelos são usados ​​para determinar as consequências de liberações acidentais de materiais perigosos ou tóxicos. Liberações acidentais podem resultar em incêndios, derramamentos ou explosões que envolvem materiais perigosos, como produtos químicos ou radionuclídeos. Os resultados da modelagem de dispersão, usando os termos da fonte de liberação acidental do pior caso e condições meteorológicas, podem fornecer uma estimativa da localização das áreas impactadas, concentrações ambientais e ser usados ​​para determinar as ações de proteção apropriadas no caso de ocorrer uma liberação. Ações de proteção apropriadas podem incluir evacuação ou abrigo para pessoas na direção do vento. Em instalações industriais, esse tipo de avaliação de consequências ou planejamento de emergência é exigido pelo Clean Air Act (Estados Unidos) (CAA) codificado na Parte 68 do Título 40 do Código de Regulamentações Federais .

Os modelos de dispersão variam dependendo da matemática usada para desenvolver o modelo, mas todos exigem a entrada de dados que podem incluir:

  • Condições meteorológicas como a velocidade e direção do vento, a quantidade de turbulência atmosférica (como caracterizado pelo que é chamado de "classe de estabilidade" ), a temperatura do ar ambiente, a altura até o fundo de qualquer inversão no alto que possa estar presente, cobertura de nuvens e radiação solar.
  • Termo da fonte (a concentração ou quantidade de toxinas em emissão ou termos de fonte de liberação acidental ) e temperatura do material
  • Parâmetros de emissão ou liberação, como localização e altura da fonte, tipo de fonte (ou seja, incêndio, piscina ou chaminé de ventilação) e velocidade de saída, temperatura de saída e taxa de fluxo de massa ou taxa de liberação.
  • Elevações do terreno no local de origem e no (s) local (is) receptor (es), como residências, escolas, empresas e hospitais próximos.
  • A localização, altura e largura de quaisquer obstruções (como edifícios ou outras estruturas) no caminho da pluma gasosa emitida, rugosidade da superfície ou a utilização de um parâmetro mais genérico do terreno "rural" ou "urbano".

Muitos dos programas de modelagem de dispersão modernos e avançados incluem um módulo pré-processador para a entrada de dados meteorológicos e outros, e muitos também incluem um módulo pós-processador para representar graficamente os dados de saída e / ou traçar a área impactada pelos poluentes atmosféricos em mapas. As parcelas de áreas impactadas também podem incluir isopletos mostrando áreas de concentrações mínimas a altas que definem áreas de maior risco para a saúde. Os gráficos isopleths são úteis na determinação de ações de proteção para o público e respondentes.

Os modelos de dispersão atmosférica também são conhecidos como modelos de difusão atmosférica, modelos de dispersão do ar, modelos de qualidade do ar e modelos de dispersão da poluição do ar.

Camadas atmosféricas

A discussão sobre as camadas da atmosfera terrestre é necessária para entender onde os poluentes transportados pelo ar se dispersam na atmosfera. A camada mais próxima da superfície da Terra é conhecida como troposfera . Estende-se desde o nível do mar até uma altura de cerca de 18 km e contém cerca de 80 por cento da massa da atmosfera total. A estratosfera é a próxima camada e se estende de 18 km a cerca de 50 km. A terceira camada é a mesosfera, que se estende de 50 km a cerca de 80 km. Existem outras camadas acima de 80 km, mas são insignificantes no que diz respeito à modelagem de dispersão atmosférica.

A parte mais baixa da troposfera é chamada de camada limite atmosférica (ABL) ou camada limite planetária (PBL) . A temperatura do ar da atmosfera diminui com o aumento da altitude até atingir o que é chamado de camada de inversão (onde a temperatura aumenta com o aumento da altitude) que limita a Camada Limite Convectiva , normalmente em cerca de 1,5 a 2,0 km de altura. A parte superior da troposfera (ou seja, acima da camada de inversão) é chamada de troposfera livre e se estende até a tropopausa (o limite na atmosfera da Terra entre a troposfera e a estratosfera). Em latitudes tropicais e médias durante o dia, a camada convectiva livre pode compreender toda a troposfera, que vai de 10 km a 18 km na zona de convergência intertropical .

O ABL é dos mais importantes no que diz respeito à emissão, transporte e dispersão de poluentes aéreos. A parte do ABL entre a superfície da Terra e a parte inferior da camada de inversão é conhecida como camada de mistura. Quase todos os poluentes aéreos emitidos para a atmosfera ambiente são transportados e dispersos dentro da camada de mistura. Algumas das emissões penetram na camada de inversão e entram na troposfera livre acima do ABL.

Em resumo, as camadas da atmosfera terrestre da superfície do solo para cima são: a ABL formada pela camada de mistura encimada pela camada de inversão; a troposfera livre; a estratosfera; a mesosfera e outros. Muitos modelos de dispersão atmosférica são chamados de modelos de camada limite porque modelam principalmente a dispersão de poluentes atmosféricos dentro do ABL. Para evitar confusão, os modelos conhecidos como modelos de mesoescala têm recursos de modelagem de dispersão que se estendem horizontalmente por até algumas centenas de quilômetros. Isso não significa que eles modelam a dispersão na mesosfera.

Equação gaussiana de dispersão de poluentes atmosféricos

A literatura técnica sobre a dispersão da poluição do ar é bastante extensa e data dos anos 1930 e anteriores. Uma das primeiras equações de dispersão da pluma de poluentes do ar foi derivada por Bosanquet e Pearson. A equação deles não assumiu a distribuição gaussiana nem incluiu o efeito da reflexão do solo da pluma poluente.

Sir Graham Sutton derivou uma equação de dispersão da pluma de poluentes do ar em 1947 que incluía a suposição da distribuição gaussiana para a dispersão vertical e de vento cruzado da pluma e também incluía o efeito de reflexão da pluma no solo.

Sob o estímulo fornecido pelo advento de rígidas regulamentações de controle ambiental , houve um imenso crescimento no uso de cálculos de dispersão da pluma de poluentes do ar entre o final da década de 1960 e hoje. Muitos programas de computador para calcular a dispersão das emissões de poluentes atmosféricos foram desenvolvidos durante esse período e foram chamados de "modelos de dispersão do ar". A base para a maioria desses modelos foi a Equação Completa para Modelagem de Dispersão Gaussiana de Plumas Contínuas de Poluição do Ar Flutuante mostrada abaixo:

Onde:  
= parâmetro de dispersão do vento cruzado
  =
= parâmetro de dispersão vertical =
= dispersão vertical sem reflexos
  =
= dispersão vertical para reflexão do solo
  =
= dispersão vertical para reflexão de uma inversão no alto
  =
           
           
           
= concentração de emissões, em g / m³, em qualquer receptor localizado:
            x metros a favor do vento do ponto da fonte de emissão
            y metros de vento cruzado a partir da linha central da pluma de emissão
            z metros acima do nível do solo
= taxa de emissão de poluentes da fonte, em g / s
= velocidade do vento horizontal ao longo da linha central da pluma, m / s
= altura da linha central da pluma de emissão acima do nível do solo, em m
= desvio padrão vertical da distribuição de emissão, em m
= desvio padrão horizontal da distribuição de emissão, em m
= altura do nível do solo até a parte inferior da inversão no alto, em m
= a função exponencial

A equação acima não inclui apenas a reflexão para cima a partir do solo, mas também inclui a reflexão para baixo a partir da parte inferior de qualquer tampa de inversão presente na atmosfera.

A soma dos quatro termos exponenciais em converge para um valor final muito rapidamente. Para a maioria dos casos, a soma das séries com m = 1, m = 2 e m = 3 fornecerá uma solução adequada.

e são funções da classe de estabilidade atmosférica (ou seja, uma medida da turbulência na atmosfera ambiente) e da distância a favor do vento até o receptor. As duas variáveis ​​mais importantes que afetam o grau de dispersão das emissões de poluentes obtido são a altura do ponto da fonte de emissão e o grau de turbulência atmosférica. Quanto mais turbulência, melhor o grau de dispersão.

Equações para e são:

(x) = exp (I y + J y ln (x) + K y [ln (x)] 2 )

(x) = exp (I z + J z ln (x) + K z [ln (x)] 2 )

(unidades de , e , e x estão em metros)

Coeficiente UMA B C D E F
Eu y -1,104 -1.634 -2,054 -2.555 -2,754 -3,143
J y 0,9878 1.0350 1.0231 1.0423 1.0106 1.0148
K y -0,0076 -0,0096 -0,0076 -0,0087 -0,0064 -0,0070
Eu z 4.679 -1,999 -2,341 -3,186 -3,783 -4,490
J z -1,7172 0,8752 0,9477 1,1737 1,3010 1,4024
K z 0,2770 0,0136 -0,0020 -0,0316 -0,0450 -0,0540

A classificação da classe de estabilidade é proposta por F. Pasquill. As seis classes de estabilidade são referidas: A-extremamente instável B-moderadamente instável C-ligeiramente instável D-neutro E-ligeiramente estável F-moderadamente estável

Os cálculos resultantes para as concentrações de poluentes atmosféricos são frequentemente expressos como um mapa de contorno de concentração de poluentes atmosféricos , a fim de mostrar a variação espacial nos níveis de contaminantes em uma ampla área em estudo. Desta forma, as linhas de contorno podem sobrepor locais de receptores sensíveis e revelar a relação espacial dos poluentes do ar com as áreas de interesse.

Enquanto os modelos mais antigos contam com classes de estabilidade (veja a terminologia de dispersão da poluição do ar ) para a determinação e , os modelos mais recentes contam cada vez mais com a teoria de similaridade de Monin-Obukhov para derivar esses parâmetros.

Equações de ascensão da pluma de Briggs

A equação gaussiana de dispersão de poluentes atmosféricos (discutida acima) requer a entrada de H, que é a altura da linha central da pluma poluente acima do nível do solo - e H é a soma de H s (a altura física real do ponto de origem de emissão da pluma poluente) mais Δ H (o aumento da pluma devido à flutuabilidade da pluma).

Visualização de uma pluma flutuante de dispersão de poluente atmosférico gaussiano

Para determinar o Δ H , muitos se não a maioria dos modelos de dispersão do ar desenvolvidos entre o final dos anos 1960 e o início dos anos 2000 usaram o que é conhecido como "as equações de Briggs". GA Briggs publicou pela primeira vez suas observações e comparações da elevação da pluma em 1965. Em 1968, em um simpósio patrocinado pela CONCAWE (uma organização holandesa), ele comparou muitos dos modelos de elevação da pluma então disponíveis na literatura. No mesmo ano, Briggs também escreveu a seção da publicação editada por Slade que trata das análises comparativas de modelos de ascensão de plumas. Isso foi seguido em 1969 por sua revisão crítica clássica de toda a literatura da ascensão da pluma, na qual ele propôs um conjunto de equações de ascensão da pluma que se tornaram amplamente conhecidas como "as equações de Briggs". Posteriormente, Briggs modificou suas equações de ascensão da pluma de 1969 em 1971 e em 1972.

Briggs dividiu as nuvens de poluição do ar nestas quatro categorias gerais:

  • Plumas de jato frio em condições de ar ambiente calmo
  • Plumas de jato frio em condições de ar ambiente ventoso
  • Plumas quentes e flutuantes em condições de ar ambiente calmo
  • Plumas quentes e flutuantes em condições de ar ambiente ventoso

Briggs considerou a trajetória das plumas de jato frio como sendo dominada por seu momentum de velocidade inicial, e a trajetória de plumas flutuantes quentes como sendo dominada por seu momentum de flutuação na medida em que seu momentum de velocidade inicial era relativamente sem importância. Embora Briggs tenha proposto equações de elevação da pluma para cada uma das categorias de pluma acima, é importante enfatizar que "as equações de Briggs" que se tornaram amplamente utilizadas são aquelas que ele propôs para plumas curvadas e flutuantes quentes .

Em geral, as equações de Briggs para plumas flutuantes quentes e curvadas são baseadas em observações e dados envolvendo plumas de fontes de combustão típicas, como as chaminés de caldeiras de geração de vapor que queimam combustíveis fósseis em grandes usinas de energia. Portanto, as velocidades de saída da pilha provavelmente estavam na faixa de 20 a 100 pés / s (6 a 30 m / s), com temperaturas de saída variando de 250 a 500 ° F (120 a 260 ° C).

Um diagrama lógico para usar as equações de Briggs para obter a trajetória de subida da pluma de plumas flutuantes curvadas é apresentado abaixo:

BriggsLogic.png
Onde:  
Δh = ascensão da pluma, em m
F  = fator de flutuabilidade, em m 4 s −3
x = distância a favor do vento da fonte da pluma, em m
x f = distância a favor do vento da fonte da pluma até o ponto de aumento máximo da pluma, em m
você = velocidade do vento na altura real da pilha, em m / s
s  = parâmetro de estabilidade, em s −2

Os parâmetros acima usados ​​nas equações de Briggs são discutidos no livro de Beychok.

Veja também

Modelos de dispersão atmosférica

A lista de modelos de dispersão atmosférica fornece uma lista de modelos mais abrangente do que a listada abaixo. Inclui uma breve descrição de cada modelo.

Resultado de uma modelagem de dispersão atmosférica usando AERMOD
Mapa HYSPLIT 2016
Modelo 3D dinâmico de transporte de poluição do ar FEM - campo de concentração no nível do solo
Modelo 3D dinâmico de transporte de poluição do ar FEM - campo de concentração na superfície perpendicular

Organizações

Outros

Referências

Leitura adicional

Livros

Introdutório
Avançado
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Orientação

links externos