Conforme citado anteriormente, modelos de qualidade do ar utilizam técnicas matemáticas para simular os processos químicos e físicos que afetam tanto a dispersão quanto as reações químicas dos poluentes na atmosfera. Esses processos dependem fortemente das condições meteorológicas, que possuem uma abrangência muito ampla, controlando fatores como evolução das emissões, presença de espécies químicas, aerossóis, quantidade de radiação disponível, quantidade de água na atmosfera entre outros. Os processos de transporte turbulento, tanto na vertical quanto na horizontal, convecção, mistura, deposição seca e úmida
1 O diâmetro aerodinâmico (d
a) de uma partícula é o diâmetro de uma esfera de densidade 1g/cm3 que tem a mesma
velocidade de sedimentação desta partícula, independente do seu tamanho, forma geométrica e densidade verdadeira (FINLAYSON-PITS e PITS, 1999).
e até relâmpagos são processos meteorológicos que influenciam fortemente na formação e transporte de poluentes, tanto primários quanto secundários. Realizar simulações do comportamento da atmosfera é um dos passos para entender a formação e o transporte de poluentes atmosféricos (CASTRO e APSLEY, 1997; CHALLA et al., 2009).
Figura 2-4: Representação da formação de uma gotícula de nuvem a partir da nucleação
heteromolecular das espécies químicas H2SO4 e H2O e seu crescimento a partir da condensação. Neste
caso forma-se uma partícula de aerossol que dá início a formação de um núcleo de condensação de nuvem até a formação final de uma gotícula de nuvem. Fonte: adaptado de Curtius, (2006).
Modelos de qualidade do ar tem fundamental importância para o gerenciamento de sistemas de controle da qualidade do ar devido ao fato de que são amplamente utilizados por agências reguladoras, por exemplo, estes modelos podem ser utilizados dentro dos processos de implementação de novas fontes para verificar se esta nova fonte vai ou não exceder os padrões pré-estabelecidos, determinar a adição ou não de aparelhos de controle de emissão de poluentes. Atualmente, os modelos de qualidade do ar podem ser divididos em três categorias: modelos receptores, modelos de dispersão e modelos fotoquímicos.
Os modelos receptores são técnicas que utilizam as características químicas e físicas tanto de gases quanto de partículas medidos nos receptores para identificar a presença dos elementos químicos, quantificando as concentrações e identificando as origens das contribuições em cada um dos receptores. Este tipo de modelos utiliza de procedimentos matemáticos/estatísticos para identificar e quantificar as fontes de poluentes atmosféricos em um receptor. Estes modelos são um complemento natural para outros modelos de qualidade do ar e são usados como parte de
planos estaduais ou regionais para identificar as fontes que contribuem para problemas de qualidade do ar.
Os modelos de dispersão são tipicamente utilizados em processos para estimar a concentração de poluentes especificados em receptores em torno de uma fonte de emissão. A modelagem da dispersão utiliza formulações matemáticas para caracterizar os processos atmosféricos que promovem a dispersão de poluentes emitidos por uma ou mais fontes. Com base nas emissões e entradas meteorológicas, um modelo de dispersão pode ser usado para predizer a concentrações em receptores a favor do vento. Estes modelos de qualidade do ar são usados para determinar a conformidade com padrões ambientais nacionais da qualidade do ar e outros requisitos regulatórios, tais como revisão/implantação de novas fontes e regulamentos de prevenção de deterioração significativa. Dentro deste grupo de modelos recomendados pela US-EPA, os mais utilizados são o American Meteorological Society Environmental Protection Agency Regulatory Model (AERMOD) e o California Puff Model (CALPUFF). Esta classe de modelos não é especificamente direcionada ao estudo de poluentes secundários, pois não incluem formulações específicas para a simulação da formação de poluentes fotoquímicos. Por outro lado, os modelos fotoquímicos normalmente são utilizados em avaliações regulamentadoras para simular os impactos de todas as fontes, estimando concentrações e deposição de poluentes inertes ou quimicamente reativos em escalas espaciais variando de local a global, resolvendo as equações governantes que caracterizam não apenas o transporte de poluentes na atmosfera, mas também os processos químicos e físicos responsáveis por suas transformações.
As maiorias dos atuais modelos operacionais fotoquímicos de qualidade do ar adotaram a modelagem tridimensional Euleriana ao invés da Lagrangiana, principalmente devido à sua capacidade de melhor caracterizar processos físicos na atmosfera e prever as concentrações das espécies em todo o domínio do modelo (US-EPA, 2012) a pesar de ambas as abordagens apresentarem dificuldades matemáticas as quais não permitem solução exata para a concentração média (de MP ou gases) quando trata-se de escoamento turbulento (Seinfeld, 1986). Existem diversos modelos fotoquímicos citados na literatura científica, variando em complexidade e principalmente nos mecanismos de inclusão da química da atmosfera, sendo os mais amplamente citados o Community Multi-scale Air Quality (CMAQ) (BYUN e CHING, 1999), Comprehensive Air quality Model with extensions (CAMx) (ENVIRON, 2010),
Regional Modeling System for Aerosols and Deposition (REMSAD) (ICF, 2005), o Urban Airshed Model Variable Grid (UAM-V) (SAI, 1999) e o Weather Research and Forecast model acoplado ao seu pacote químico (WRF/Chem) (Grell et al., 2005).
Os modelos WRF/Chem e o CMAQ são os mais utilizados em pesquisas de previsão de transporte e formação de aerossóis. Ambos os modelos têm ampla aceitação pela comunidade científica que os emprega em diversos estudos para caracterização do transporte e eformação de poluentes na atmosfera. Entretanto, o modelo CMAQ é o preferido pelas agências reguladoras por ser recomendado pela US-EPA.