Inversion ensembliste

O ar à nossa volta consiste de uma mistura de gases. As concentrações destes gases no ar normal (limpo) são dadas na Tabela 7.1. Os componentes principais do ar são as moléculas de nitrogênio (78%) e oxigênio (21%) (não existem "moléculas de ar"). A atmosfera tam- bém contém outras substâncias que são adicionadas por fontes naturais, tais como a vege- tação em crescimento ou decomposição, poeira do solo e fumaça de erupções vulcânicas. Definiremos como "poluentes" aquelas substâncias que são adicionadas pelo homem e que são tóxicas ou irritantes para os animais, a vegetação ou a propriedade.

N.T.: No original: "smog". Não há tradução literal desta palavra para o português. A definição em inglês é a seguinte: uma mistura de fumaça e poluição criada fotoquimicamente, com ou sem a presença de neblina.

Cap. 7 Poluição do Ar e Uso de Energia 181

P r e s s ã o

A Terra está imersa em um "mar de ar", sendo que 99% da massa da atmosfera se encontra abaixo de 33 km (20 milhas). Comparada ao tamanho da Terra, esta é uma cobertura bas- tante delgada. Se a Terra fosse um círculo do tamanho de uma moeda de um dólar,2 _{a at-}

mosfera teria a espessura de uma linha desenhada a lápis ao seu redor.

Nós vivemos no fundo deste mar de ar; portanto, sentimos uma pressão como resul- tado do peso do ar acima de nós. A pressão é definida como a força exercida por unidade

de área:

As unidades de pressão são a libra por polegada quadrada (psi) no sistema inglês e Newtons por metro quadrado, chamada de Pascal (Pa) em unidades SI.

Como você pode ver a partir desta equação, a pressão aumenta se você reduzir a área sobre a qual uma força, tal como o seu peso, é aplicada. Por exemplo, se uma mulher puser todo o seu peso na parte traseira de um par de sapatos de salto alto, a pressão exercida sobre o solo será maior do que aquela exercida por um elefante sobre as suas quatro patas! De forma inversa, a pressão pode ser reduzida pelo aumento da área sobre a qual se aplica a força. Você tem uma chance maior de atravessar o gelo fino (sem quebrar a camada de gelo) se você rastejar, já que neste caso você estará aumentando a área sobre a qual seu peso se distribui.

Tabela 7.1 CONCENTRAÇÃO DOS GASES NO AR SECO NORMAL

Gás Concentração (ppM)* Nitrogênio 780.900 Oxigênio 209.400 Argônio 9.300 Dióxido de carbono 315 Neônio 18 Hélio 5,2 Metano 1,0-1,2 Criptônio 1 Oxido nitroso 0,5 Hidrogênio 0,5 Xenônio 0,08 Dióxido de nitrogênio 0,02 Ozônio 0,01-0,04

* p p M = partes por m i l h ã o de gás por v o l u m e , q u e se refere ao n ú m e r o de moléculas por m i l h ã o de m o l é c u l a s de ar.

E X E M P L O

Uma criança de cinco anos pesa 48 lb e usa sapatos tamanho 1,3

cada um com uma área superficial de 16 pol2

. Compare a pressão exercida pela crian- ça com a exercida por um homem de 160 lb que usa sapatos tamanho 10, cada um com uma área superficial de 42 pol2

.

S o l u ç ã o

A pressão exercida pela criança é 48 lb/(2 X 16 pol2 _{) = 1,5 psi. Para o adulto,}

a pressão é 160 lb/(2 X 42 pol2 _{) = 1,9 psi, ou 25% a mais.}

No oceano de ar que nos rodeia, a força exercida sobre nós é o peso de todo o ar acima de nossas cabeças. Ao nível do mar, a pressão atmosférica é de 14,7 psi, ou aproximada- mente 100.000 Pa. (No topo do Monte Everest, a pressão do ar é de 5 psi.) Seria necessária uma coluna d'água de 34 pés (ou 10 m) de altura para exercer a mesma pressão que a colu- na de ar exerce ao nível do mar (uma coluna de 20 milhas).

A Figura 7.1 mostra alguns exemplos utilizando a pressão do ar. A pressão atmos- férica possibilita que utilizemos ventosas de borracha. Um copo de água pode ser mantido de cabeça para baixo com uma folha de papel na sua boca porque a pressão que o ar exerce sobre a folha é maior do que a pressão da água. O ato de beber com um canudo faz uso de diferenças de pressão para forçar o líquido a subir até a sua boca: quando você suga em um canudo, a pressão na sua boca diminui, de forma que o líquido é empurrado canudo acima pela maior pressão da atmosfera sobre o líquido na parte de baixo do canudo. O líquido não é puxado pelo vácuo parcial.

FIGURA 7.1

Exemplos de pressão atmosférica, (a) O peso máximo que você pode levantar com uma ventosa de 4 pol de diâmetro é a área x pressão = pi(2)2

pol2

x 14,7 lb/pol2

= 184 lb. (b) Emborcar um copo d'água coberto com uma folha de papel faz com que uma parte do ar seja forçada para fora do copo. A pressão do ar remanescente somada ao peso da água é menor do que a pressão atmosférica, de modo que a água permanece no copo. (c) Tomando refrigerante: a pressão atmosférica força a bebida canudo acima, em direção à região de menor pressão na sua boca.

Cap. 7 Poluição do Ar e Uso de Energia 183 A pressão atmosférica é importante para os meteorologistas, já que diferenças re- gionais de pressão fazem com que o clima se desloque de regiões de alta pressão para regiões de baixa pressão. "O barômetro está subindo" é geralmente um sinal de que o bom tempo está a caminho. A pressão do ar é uma função da temperatura. Variações de tempe- ratura na superfície da Terra, causadas peto aquecimento solar desigual e por características do relevo (montanhas, oceanos etc.) dão origem a diferenças de pressão que produzem os ventos, ou circulação horizontal de ar. O barômetro mostrado na Figura 7.2 é um método padrão de se determinar a pressão atmosférica (veja a Atividade Adicional 1 ao final deste capítulo). O tubo é evacuado no topo, de forma a não haver nenhuma pressão exercida pelo ar. O fluido no tubo exerce uma pressão igual à sua densidade multiplicada pela sua altura. No equilíbrio, isto se torna igual à pressão da atmosfera sobre o líquido na cuba. Você pode perceber por que o mercúrio é utilizado no lugar da água como fluido; o mercúrio é 13 vezes mais denso do que a água, e, assim, uma coluna mais curta pode ser usada.

E m p u x o e P e r f i s d e T e m p e r a t u r a d o A r

O movimento vertical do ar é o resultado das variações de densidade na atmosfera. O ar que é aquecido pelo solo é menos denso do que o ar frio, e sobe. Ele sobe devido a uma "força de empuxo" que age sobre um volume de ar quente (chamado de "pacote"). A força de empuxo sobre um corpo é a força para cima exercida sobre ele pelo fluido no qual ele está imerso. Por causa desta força, um objeto imerso em água parece pesar menos do que quando está no ar. Por exemplo, um bloco de alumínio que pesa 10 lb no ar e aparenta pesar 7 lb na água tem uma força de empuxo de 3 lb atuando sobre si.

A força de empuxo é o resultado das diferentes pressões nas partes inferior e superior do corpo imerso em um fluido (Figura 7.3). Há uma pressão maior empurrando para cima na parte inferior do corpo do que empurrando para baixo na sua parte superior, porque a parte inferior está sujeita a uma pressão maior do que a superior. O Princípio de Arqui- medes afirma que a força de empuxo sobre um corpo é igual à massa deslocada por ele. Um objeto irá flutuar caso a força de empuxo seja igual ao seu peso. Como massa = densidade X vo- lume do corpo, outra forma de se fazer esta afirmação é

Um objeto sólido flutuará se a sua densidade for igual ou menor do que a densidade do meio em que se encontra.

FIGURA 7 . 2

Um barômetro. A pressão atmosférica que age sobre o mercúrio força-o a subir cerca de 76 cm no tubo. (Se o fluido fosse a água, esta altura seria de 1.000 cm.)

FIGURA 7.3

A força de empuxo em um objeto submerso é igual à massa do fluido deslocado. Isto é resultado da diferença de pressão entre o topo e o fundo do objeto. Um objeto flutuará se a força de empuxo for igual ou maior do que o peso do objeto.

Estamos acostumados a ver cubos de gelo flutuando na água ou uma bola de praia flutuar em um lago. Estes objetos têm uma densidade menor que a da água. Entretanto, sabemos que barcos de aço e concreto também flutuam, embora as densidades do aço e do concreto sejam maiores do que a da água. Isto ocorre porque o barco não é um corpo sólido e tem uma grande quantidade de ar em seu casco, de forma que a densidade do barco in-

teiro é menor do que a da água.

Se a densidade de um corpo é menor do que a do líquido em que ele está imerso, ele irá assentar-se em uma posição, parcialmente submerso, de forma que o peso de líquido deslo- cado — a força de empuxo — é igual ao peso do próprio objeto. Se a densidade do objeto é igual à do líquido ao redor, então não haverá nenhuma força resultante sobre o corpo, e ele permanecerá em repouso na posição em que se encontra. No contexto deste capítulo, um pacote de ar quente irá subir até que a sua densidade se iguale à do ar ao seu redor.

A medida que o ar quente sobe, ele se expande (fica menos denso) e se resfria. A ener- gia utilizada na expansão é extraída da energia térmica do ar. Sinta a temperatura do ar que escapa de um pneu de bicicleta inflado. O ar pode chegar a ser bastante frio. O perfil normal de temperatura da atmosfera é apresentado na Figura 7.4. A temperatura do ar diminui a uma taxa de aproximadamente 7°C por quilômetro (aproximadamente 3,5°F a cada 1.000 pés) acima da superfície da Terra. Um pacote de ar irá subir por causa da força de empuxo até que sua temperatura se iguale à do ar ao seu redor. Se o pacote de ar quente se resfria mais lentamente do que o ar circundante, sua temperatura estará sempre acima da temperatura da atmosfera que o rodeia, de forma que o ponto de equilíbrio nunca será atingido, e uma mistura vigorosa do pacote e do ar circundante irá ocorrer.

FIGURA 7.4

A temperatura do ar ambiente

normalmente diminui com o aumento da altitude. Um pacote de ar irá subir até que sua temperatura seja igual à do ar circundante. Uma região de inversão elevada (uma região na qual a temperatura do ar ambiente aumenta com a altitude) coloca um fim nos pacotes ascendentes.

Cap. 7 Poluição do Ar e Uso de Energia 185

D i s p e r s ã o N a t u r a l d o s P o l u e n t e s d o A r ; I n v e r s õ e s T é r m i c a s

O movimento vertical do ar e os ventos são mecanismos muito importantes de dispersão dos poluentes do ar. A mistura vertical será restrita se existir uma inversão térmica. Isto ocorre quando uma camada de ar quente se posiciona acima de uma camada mais fria, colocando com efeito uma tampa sobre a região e, portanto, impedindo que ocorra a dis- persão atmosférica dos poluentes. A medida que a fumaça de, digamos, uma usina elétrica ascende à atmosfera, ela se expande e resfria. Enquanto ela for mais quente do que o ar cir- cundante, será menos densa e será empurrada ainda mais para cima. Porém, se chegar a uma região mais quente (menos densa), ela irá parar de subir. Esta região de inversão tér- mica de baixa altitude irá aprisionar todos os poluentes sob ela (Figura 7.5).

A causa mais comum de uma inversão térmica é o resfriamento radioativo. Durante a

noite, a Terra continua a radiar e, portanto, se resfria; o ar em contato com a Terra irá res- friar-se até ficar com uma temperatura menor do que o ar mais acima. Esta inversão tér- mica é geralmente dissipada pela manhã com o calor do SoL Porém, uma neblina matinal pesada pode inibir esta dissipação, já que os raios solares não penetrarão suficientemente bem para aquecer a camada inferior. Você talvez já tenha observado os efeitos de tal inver-

são, quando a fumaça das chaminés fica próxima ao solo.

As diferenças de temperatura são também responsáveis pela circulação global do ar em geral. O Sol não aquece todas a partes da Terra de maneira uniforme Xo Equador, os raios do Sol atingem o solo quase que perpendicularmente, mas atingem com ângulos pro- gressivamente maiores a latitudes maiores. O ar que é aquecido no Equador sobe e se move em direção aos pólos, descendo à medida que resfria. Ele é, então, substituído por ar mais frio, que retorna ao Equador. (Esta convecção é semelhante aos padrões de circulação do ar em uma sala.) Os padrões são mais complicados do que isso, entretanto, devido à ro- tação da Terra. Os padrões de circulação do ar se dividem em diversas "células", conforme pode ser visto na Figura 7.6, levando ao vento oeste predominante.

FIGURA 7.5

O Sol se põe atrás de uma camada espessa de poluição sobre o centro de Los Angeles. (C O R B I S / B E T T M A N )

FIGURA 7.6