ciências do ambiente - cap 3 - meio atmosférico: características e poluição

Universidade Estadual do Maranhão

Engenharia de Produção

Ciências do Ambiente

Meio Atmosférico

Características e Poluição

Me. Elon Vieira Lima

São Luis – 2014-2

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Introdução Poluição do Ar

Emissão

Atmosfera

Receptores

Interações físicas (diluição)

Interações químicas (reações)

Poluentes Poluição

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Introdução Gestão da Qualidade do Ar

Emissão

Controle de

Emissão

Atmosfera

Receptores

Mo

nit

ora

me

nto

Poluentes e suas fontes

Efeitos da poluição

Mudanças climáticas

Composição e estrutura

Meteorologia

Transporte e Dispersão

Métodos e Equipamentos

Sistemas de Controle

Padrões de

qualidade

Métodos e

Equipamentos

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Atmosfera Definição

É uma camada fina, gasosa, presa à Terra pela força da

gravidade.

E um grande “cobertor” do planeta que protege a Terra

do hostil espaço cósmico.

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Atmosfera Composição

Composição da atmosfera seca e limpa (ASSUNÇÃO, 2004)

Vapor d’água: de 0,02% a 4%

Partículas sólidas e líquidas em suspensão.

Constituinte Fórmula % em volume ppm

Nitrogênio N2 78,08 780800

Oxigênio O2 20,95 209500

Argônio Ar 0,93 9300 Dióxido de Carbono CO

2 0,0358 358*

Neônio Ne 0,0018 18 Hélio He 0,00052 5,2 Metano CH

4 0,00017 1,7

Kriptônio Kr 0,00011 1,1 Hidrogênio H

2 0,00005 0,5

Óxido Nitroso N2O 0,00003 0,3

Ozônio O3 0,000004 0,04

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Atmosfera Funções

Proteger os organismos da exposição a níveis arriscados da

radiação ultravioleta;

Camada de ozônio

Regular a temperatura média do planeta;

Efeito estufa

Contém os gases necessários para os processos vitais de

respiração celular e fotossíntese;

Fornece a água necessária para a vida.

Ciclos biogeoquímicos

7

Atmosfera Estrutura

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Camada de Ozônio Características gerais

Protege os organismos da

exposição a níveis arriscados

da radiação ultravioleta;

Escudo solar natural da

Terra

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Camada de Ozônio Características gerais

Situada na Estratosfera

Maior concentração: entre 25 e 35 km

85 a 90% do O3 total da atmosfera

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Camada de Ozônio Espectro da luz solar

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UV-A (315-400 nm) Tem os comprimentos de onda mais longos e é a menos

prejudicial.

Causa queimaduras solares e está relacionada às causas de envelhecimento prematuro da pele e alguns tipos de câncer.

UV-B (280-315 nm) Pode causar câncer de pele e uma série de doenças da vista.

Causa queimaduras solares.

Próximos a comprimentos de onda de 280 nm são intensamente absorvidas pelas proteínas e, freqüentemente, alterando as sua funções.

Pode interferir na fotossíntese de alguns tipos de culturas.

São necessárias para sintetizar a vitamina D na pele dos seres humanos.

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UV-C (100-280 nm)

É o membro mais perigoso da família.

Os comprimentos de onda ao redor de 260 nm são absorvidos pelo DNA e, invariavelmente, quase todas as formas de vida são irremediavelmente danificadas por esse tipo de radiação.

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Camada de Ozônio Absorção da luz pelas moléculas

As substâncias diferem enormemente em sua tendência a

absorver luz de um determinado comprimento de onda.

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Camada de Ozônio Absorção da luz pelas moléculas

As substâncias diferem enormemente em sua tendência a

absorver luz de um determinado comprimento de onda.

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Camada de Ozônio Reações fotoquímicas

Quando a energia de um fóton de luz é igual à energia requerida para haver uma reação, isto é, a entalpia padrão de reação (DHº), ocorre uma reação fotoquímica.

O pesquisador inglês Chapman, em 1930, propôs as reações para a formação e destruição do O3 na estratosfera (conhecido por Ciclo de Chapman):

Formação:

Destruição:

2 3O O M O M calor

2 2241 2O fóton nm O O

3 2320O fótonUV nm O O

3 22O O O

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Camada de Ozônio Reações fotoquímicas

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Camada de Ozônio Proteção

A camada de ozônio pode absorver:

100% dos raios UV-C (200 – 280 nm)

70 a 90% dos raios UV-B (280 – 320 nm)

Menos de 10% dos raios UV-A (320 – 400 nm)

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Depleção da Camada de Ozônio Buraco na camada de ozônio

Mecanismo descoberto por Rowland e Molina em 1974/75

Entre setembro e novembro, primavera, há uma queda natural na concentração de O3 na Antártida

A partir da década de 80, notou-se um acentuado e contínuo decréscimo da concentração de O3

20


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BURACO NA CAMADA DE OZÔNIO: diminuição da concentração de (O3 );

Tecnicamente, o buraco não significa ausência total de O3 , mas sim que a concentração de O3 é muito pequena

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Depleção da Camada de Ozônio Causas

Provocada pelos CFC’s (compostos orgânicos feitos de átomos de Carbono, Flúor e Cloro)

Característica:

Em geral, se referem a compostos orgânicos;

Possuem propriedades refrigerantes, propelentes e solventes;

São compostos altamente estáveis;

Outros Compostos:

CFCs = clorofluorcarbonetos

HBFCs = hidrobromofluorcarbonetos

Halon

Tetracloreto de carbono

Brometo de metila

Mecanismo catalítico Um átomo de cloro é responsável pela destruição de cerca de

100.000 moléculas de ozônio

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Mecanismo catalítico

CCl3F (CFC-11) + hν → CCl2F· + Cl·

Cl· + O3 → ClO· + O2

ClO· + O· → Cl· + O2

Balanço: O + O3 → O2 + O2

PFQSAA_1.1_3b_ Destruição catalítica.mov

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Depleção da Camada de Ozônio Efeitos

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Depleção da Camada de Ozônio Efeitos

Destruição da camada implica que mais raios ultravioleta-B

chegam à superfície

Problemas relacionadas:

vermelhidão e queimaduras de pele

câncer de pele (90% relacionados ao UV-B);

cataratas nos olhos;

sistemas imunológicos mais fracos;

rendimentos menores na produção agrícola;

danos nos ecossistemas oceânicos e redução nas pescas;

efeitos adversos nos animais;

danos em materiais como os plásticos.

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Depleção da Camada de Ozônio Ações para mitigação

Protocolo de Montreal (1987):

Começou a impor limites e a

restringir o uso dos

principais poluentes;

Há diferenças nos prazos de

cumprimento entre países

desenvolvidos e menos

desenvolvidos.

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Depleção da Camada de Ozônio Ações para a mitigação

Substitutos:

– HCFCs = hidroclorofluorcarbonetos

– HFCs = hidrofluorcarbonetos

No Brasil:

CONAMA 267: recolhimento, acondicionamento e envio de

gases CFC para reciclagem;

5a nação que mais reduziu o consumo de CFC’s;

O consumo caiu de 10.525 t (1995) para 478 t em 2006.

Problemas

substitutos: HFCs são gases de efeito de estufa;

contrabando entre países menos desenvolvidos e mais

desenvolvidos

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Efeito Estufa Balanço de energia na Terra

Da luz incidente total envolvendo todos os comprimentos de

onda que chegam até a Terra:

45 - 50% alcança a superfície, onde é absorvida;

20 - 25% são absorvidas por gases e gotículas de água;

UV: ozônio estratosférico e oxigênio diatômico

IR (infravermelho): CO2 e H2O

25 - 30% são refletidos de volta ao espaço pelas nuvens,

pelo gelo, pela neve, pela areia e por outros corpos

refletores, sem que ocorra absorção.

A quantidade de energia que o planeta absorve e aquela

liberada para o espaço devem ser iguais para que a

temperatura se mantenha constante.

30


31


A energia emitida pela superfície da Terra se encontra na

região do infravermelho (4 a 50 µm). Essa região é chamada

de infravermelho térmico porque a energia é uma forma de

calor.

32


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Deste modo, uma parte do IR térmico é direcionada de volta

em direção à superfície, sendo reabsorvida e

conseqüentemente causando um aquecimento adicional

tanto na superfície como do ar Efeito estufa.

O efeito estufa é responsável pelo fato da temperatura média

da superfície da Terra ser de aproximadamente 15°C.

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Os principais gases do efeito estufa (GEE) são:

Vapor d’água e dióxido de carbono (CO2);

Metano (CH4), óxido nitroso (N2O), ozônio (O3) e CFC’s.

35

Efeito Estufa Mecanismo

35

Efeito Estufa Mecanismo

38

Gases do Efeito Estufa (GEE’s) Dióxido de carbono (CO2)

Ciclo do carbono:

Respiração:

Fotossíntese:

As principais fontes antropogênicas de emissão de CO2 são:

Queima de combustíveis fósseis e produção de cimento

(75%)

Petróleo, carvão e gás natural

Diretamente: veículos e aquecimento de domicílios.

Indiretamente: transporte, indústria, aquecimento e

resfriamento de instalações comerciais, produção e

refino do petróleo, etc.

Desmatamento (25%)

39


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O único sumidouro permanente para o CO2 é a sua deposição em águas

profundas do oceano e/ou sua precipitação na forma de carbonato de

cálcio insolúvel.

O carbono recém enviado à atmosfera só será depositado após

várias décadas ou séculos (50 a 200) anos.

41

Gases do Efeito Estufa (GEE’s) Metano (CH4)

As fontes significativas de metano atmosférico são:

Zonas alagadas naturais (decomposição anaeróbica de matéria orgânica vegetal)

Combustíveis fósseis

Aterros sanitários

Animais ruminantes

Áreas de cultivo de arroz

Queima de biomassa

Tempo médio de permanência na atmosfera: 10 a 15 anos.

42

Aquecimento Global Efeito estufa intensificado

Após a Segunda Guerra Mundial, tem se observado um

grande aumento da temperatura média da Terra.

../../Videos/HowStuffWorks - Como funciona o aquecimento global.flv

43


Há 3 fatores principais que influenciam diretamente

o balanço de energia na Terra:

O fluxo dos raios solares que chegam, dependendo

da distância do sol e da atividade solar;

Albedo (fração de luz solar refletida por uma

superfície), ou reflexões dos raios solares da Terra

de volta para o espaço;

A composição química da atmosfera.

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Aumento da concentração de gases traço no ar, que

absorvem luz IR térmica Efeito Estufa Intensificado

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Albedo

Certos tipos de particulados em suspensão no ar refletem um pouco

da luz solar que retorna para o espaço, logo, possuem um

significativo valor de albedo.

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Balanço energético

As mudanças são

expressas como uma

força radioativa que é

usada para comparar

como uma gama de

fatores humanos e

naturais influencia o

aquecimento ou o

resfriamento do clima

global.

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Poluição do Ar na Troposfera Introdução

Poluição do ar:

Quando há uma ou mais substâncias em concentrações suficientes

para causar danos em seres humanos, animais, vegetais ou

materiais.

Essas concentrações dependem do clima, da topografia, da

densidade populacional, do nível e do tipo das atividades industriais

locais.

Para cada poluente, é importante conhecer sua origem (fonte) e seus

impactos ao meio.

Muitos destes poluentes estão vinculados a fenômenos de poluição.

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Poluição do Ar na Troposfera Principais poluentes

Monóxido de Carbono (CO): combustão incompleta de combustíveis

fósseis ou que contenham carbono;

Dióxido de Carbono (CO2): combustão completa, além de ser gerado

no processo de respiração aeróbica dos seres vivos;

Óxidos de Enxofre (SO2 e SO3): queima de combustíveis que

contenham enxofre, além de serem gerados em processos biogênicos

naturais, tanto no solo quanto na água;

Óxidos de Nitrogênio (NOx): processos de combustão e processos de

descargas elétricas na atmosfera;

N2 + O2 → 2 NO·(óxido nítrico)

Hidrocarbonetos: queima incompleta dos combustíveis; evaporação

desses combustíveis e de outros materiais como, por exemplo, solventes

orgânicos;

Asbestos: gerado durante a etapa de mineração do amianto ou nos

processos de beneficiamento desse material;

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Oxidantes Fotoquímicos: são compostos gerados a partir de outros

poluentes (hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio), que foram lançados

à atmosfera por meio da reação química entre esses compostos,

catalisada pela radiação solar. Dentre os principais destacam-se o

ozônio e o peroxiacetilnitrato (PAN);

Material Particulado (MP): partículas de material sólido e líquido

capazes de permanecer em suspensão (poeira, fuligem, partículas de

óleo, pólen). Podem ter origem nos processos de combustão ou ocorrem

em conseqüência de fenômenos naturais;

Metais: MP associados aos processos de mineração, combustão de

carvão e processos siderúrgicos;

Gás fluorídrico (HF): processos de produção de alumínio e fertilizantes,

bem como em refinarias de petróleo;

Amônia (NH3): fontes como indústrias químicas e de fertilizantes,

principalmente aquelas à base de nitrogênio, além dos processos

biogênicos naturais que ocorrem na água ou no solo;

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Pesticidas, Herbicidas (organoclorados, organofosforados e

carbamatos): fontes são as indústrias que os produzem, bem como os

agricultores pelos processos de pulverização nas plantações e no solo;

Gás Sulfídrico (H2S): subproduto nos processos desenvolvidos em

refinarias de petróleo, indústria química, tratamento de efluentes,

indústria de celulose e papel etc. Também produzido por processos

biogênicos naturais;

Substâncias radioativas: fontes são os depósitos naturais, usinas

nucleares, testes de armamento nuclear e queima do carvão;

Som: associado ao nosso estilo de vida e industrial.

Calor (poluição atmosférica por energia): emissão de gases a alta

temperatura, geralmente nos processos de combustão;

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SMOG = SMOKE (fumaça) + FOG (neblina)

Smog Fotoquímico Aspectos gerais

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Smog Fotoquímico Aspectos gerais

Manifesta-se em forma de neblina de tonalidade amarela-amarronzada

que se deve à presença no ar de pequenas gotas d’água contendo

produtos derivados de reações químicas que ocorrem entre os poluentes

no ar.

Com frequência apresenta um odor desagradável devido a alguns de

seus componentes.

Os produtos intermediários e finais das reações que ocorrem no smog

afetam a saúde humana de maneira séria e podem causar danos às

plantas, aos animais e a alguns materiais.

O processo de formação do smog abrange centenas de reações

diferentes, envolvendo um número indeterminado de substâncias

químicas.

O principal produto destas reações fotoquímicas é o ozônio.

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Além do ozônio, outros produtos finais do smog são o ácido

nítrico e compostos orgânicos parcialmente oxidados (e, em

alguns casos, nitratos).

Smog Fotoquímico Reações fotoquímicas

Compostos orgânicos

O3

HNO3

COV’s

NO.

O2

Luz solar

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Smog Fotoquímico Reações fotoquímicas

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Smog Fotoquímico Características

A cor amarela da atmosfera de uma cidade envolvida pelo smog deve-se

à presença do dióxido do nitrogênio, pois esse gás absorve um pouco de

luz visível próximo ao limite do violeta e, consequentemente a luz solar

transmitida através da névoa parece amarela.

Condições para a ocorrência dos smogs:

Tráfego de veículos substancial para que hajam emissões

suficientes de NO., hidricarbonetos, e outros COV’s no ar;

Temperaturas moderadamente elevadas e luminosidade solar

abundante, fundamentais para as reações, algumas delas

fotoquímicas, ocorram a uma velocidade elevada;

Pouco movimento relativo de massa de ar para que os poluentes

não sejam diluídos.

Principais casos: Los Angeles, Denver, México, Tóquio, Atenas,

São Paulo e Roma.

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Smog Fotoquímico Efeitos

Problemas respiratórios

Danos às plantas

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Smog Industrial Aspectos gerais

Principais componentes: queima de carvão e de óleo combustível (aquecimento doméstico, geração de energia elétrica) SO2 e MP

Outros poluentes: compostos de flúor, de mercúrio e asbestos.

Típico de regiões frias e úmidas;

Picos de concentração ocorrem exatamente no inverno, em condições climáticas adversas para a dispersão dos poluentes (inversão térmica).

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Smog Industrial Consequências

Monóxido de carbono: causa disfunções do miocárdio;

Dióxido de enxofre: problemas respiratórios.

Particulados inaláveis: prejudicam a circulação vascular do corpo

humano, ampliando as chances, por exemplo, de aumento da pressão

arterial.

Segundo estudos da USP, cerca de oito pessoas morrem por dia na

região metropolitana de São Paulo por causa de consequências

indiretas da poluição atmosférica.

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Chuva ácida Aspectos gerais

O termo genérico chuva ácida, também conhecida como deposição ácida, abrange vários fenômenos, como a neblina ácida e a neve ácida, todos relacionados a precipitações substanciais de ácido.

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Chuva ácida Efeitos

Saúde

Problemas cardíacos e respiratórios

Águas superficiais

Quando a chuva ácida quebra a cadeia alimentar, a biodiversidade se

reduz.

Pode provocar eutrofização.

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Chuva ácida Efeitos

Solo

Perda de produtividade.

Materiais

Degradação

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Material Particulado Aspectos gerais

Particulados são partículas finas de sólidos ou líquidos que se

encontram suspensas no ar, em geral invisíveis, individualmente,

a olho nu.

As partículas suspensas em uma dada massa de ar não são todas

do mesmo tamanho ou forma, e tampouco apresentam a mesma

composição química.

Embora apenas algumas partículas suspensas apresentem forma

exatamente esférica, é conveniente e convencional tratar a

totalidade das partículas como se apresentassem esta forma

diâmetro.

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Tamanho

Partículas grandes (> 10 µm): depositam no solo, não provocando sérios danos ao homem;

Partículas médias (1-10 µm): permanecem em suspensão;

Partículas finas (< 1 µm): permanecem no ar, percorrem diversas regiões e causam sérios problemas respiratórios.

Tipos:

Poeira e fuligem sólidos

Névoa e neblina líquidos

Aerossol conjunto de particulados (sólidos ou líquidos) dispersos pelo ar. São partículas menores que 100 μm.

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Índice MP quantidade de material particulado presente em um dado volume (µg/m3).

Quanto menores as partículas, maiores os efeitos nocivos provocados.

Classificação:

PTS Particulados Totais em Suspensão. Menores que 50 µm;

MP10 concentração total de todas as partículas de diâmetro menor que 10 µm Partículas Inaláveis. Ficam retidas na parte superior do sistema respiratório

MP2,5 Partículas Respiráveis. Podem atingir os alvéolos pulmonares;

FMC fumaça Provenientes dos processos de combustão.

75

Material Particulado Comportamento das partículas no ar

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Qualidade do ar Padrões de qualidade

Os padrões de qualidade do ar definem legalmente o limite

máximo para a concentração de um poluente na atmosfera,

que garanta a proteção da saúde e do meio ambiente.

Os padrões de qualidade do ar são baseados em estudos

científicos dos efeitos produzidos por poluentes específicos e

são fixados em níveis que possam propiciar uma margem de

segurança adequada.

Os padrões nacionais foram estabelecidos pelo IBAMA e

aprovados pelo CONAMA através da Resolução CONAMA

03/90.

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Entende-se como poluente atmosférico qualquer forma de

matéria ou energia com intensidade e em quantidade,

concentração, tempo ou características em desacordo com

os níveis estabelecidos, e que tornem ou possam tornar o ar:

I - impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde;

II - inconveniente ao bem-estar público;

III - danoso aos materiais, à fauna e flora.

IV - prejudicial à segurança, ao uso e gozo da

propriedade e às atividades normais da comunidade.

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Padrões nacionais de qualidade do ar (Resolução CONAMA nº 03 de 28/06/90)

Poluente Tempo de

Amostragem

Padrão Primário µg/m³

Padrão Secundário

µg/m³

Método de Medição

partículas totais em suspensão

24 horas1 MGA2

240 80

150 60

amostrador de grandes volumes

partículas inaláveis

24 horas1 MAA3

150 50

150 50

separação inercial/filtração

fumaça 24 horas1

MAA3

150

60

100

40 refletância

dióxido de enxofre

24 horas1 MAA3

365 80

100 40

pararosanilina

dióxido de nitrogênio

1 hora1 MAA3

320 100

190 100

quimiluminescência

monóxido de

carbono

1 hora1

8 horas1

40.000 35 ppm 10.000 9 ppm

40.000 35 ppm 10.000 9 ppm

infravermelho não dispersivo

ozônio 1 hora1 160 160 quimiluminescência

1 - Não deve ser

excedido mais que

uma vez ao ano.

2 - Média geométrica

anual.

3 - Média aritmética

anual.

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Critérios para episódios agudos de poluição do ar (Resolução CONAMA nº 03 de 28/06/90)

Parâmetros Atenção Alerta Emergência

partículas totais em suspensão (µg/m3) - 24h

375 625 875

partículas inaláveis (µg/m3) - 24h 250 420 500

fumaça (µg/m3) - 24h 250 420 500

dióxido de enxofre (µg/m3) - 24h 800 1.600 2.100

SO2 X PTS (µg/m3)(µg/m3) - 24h 65.000 261.000 393.000

dióxido de nitrogênio (µg/m3) - 1h 1.130 2.260 3.000

monóxido de carbono (ppm) - 8h 15 30 40

ozônio (µg/m3) – 1h 400* 800 1.000

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Qualidade do ar Índice de qualidade do ar (IQA)

O índice de qualidade do ar é uma ferramenta matemática desenvolvida

para simplificar o processo de divulgação da qualidade do ar. Para cada

poluente medido é calculado um índice. Através do índice obtido, o ar

recebe uma qualificação.

Para efeito de divulgação utiliza-se o índice mais elevado, isto é, a

qualidade do ar de uma estação é determinada pelo pior caso.

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Qualidade do ar Índice de qualidade do ar (IQA)

ciências do ambiente - cap 3 - meio atmosférico: características e poluição

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