Esquema de la dispersión de la contaminación del aire
Distribución de la contaminación del aire en la atmósfera terrestre
El siguiente esquema se proporciona como una descripción general y una guía temática sobre la dispersión de la contaminación del aire: En la ciencia ambiental , la dispersión de la contaminación del aire es la distribución de la contaminación del aire en la atmósfera . La contaminación del aire es la introducción de partículas , moléculas biológicas u otros materiales dañinos en la atmósfera de la Tierra, causando enfermedades , muerte a humanos, daño a otros organismos vivos como cultivos alimentarios y el medio ambiente natural o construido . La contaminación del aire puede provenir de fuentes antropogénicas o naturales. La dispersión se refiere a lo que le sucede a la contaminación durante y después de su introducción; comprender esto puede ayudar a identificarla y controlarla.
La dispersión de la contaminación del aire se ha convertido en el foco de atención de los conservacionistas ambientales y de las agencias gubernamentales de protección ambiental (locales, estatales, provinciales y nacionales) de muchos países (que han adoptado y utilizado gran parte de la terminología de este campo en sus leyes y regulaciones) con respecto al control de la contaminación del aire .
Columnas de emisión de contaminación del aire
Visualización de una columna flotante de dispersión de contaminantes del aire gaussianos
Columna de emisión de contaminación atmosférica: flujo de contaminantes en forma de vapor o humo liberados al aire. Las columnas tienen una importancia considerable en el modelado de la dispersión atmosférica de la contaminación atmosférica. Existen tres tipos principales de columnas de emisión de contaminación atmosférica :
Columnas flotantes : columnas que son más ligeras que el aire porque están a una temperatura más alta y una densidad más baja que el aire ambiente que las rodea, o porque están a aproximadamente la misma temperatura que el aire ambiente pero tienen un peso molecular más bajo y, por lo tanto, una densidad más baja que el aire ambiente. Por ejemplo, las emisiones de las chimeneas de gases de combustión de los hornos industrialesson flotantes porque son considerablemente más cálidas y menos densas que el aire ambiente. Como otro ejemplo, una columna de emisión de gas metano a temperaturas del aire ambiente es flotante porque el metano tiene un peso molecular más bajo que el aire ambiente.
Columnas densas de gas : columnas que son más pesadas que el aire porque tienen una densidad mayor que el aire ambiental circundante. Una columna puede tener una densidad mayor que el aire porque tiene un peso molecular mayor que el aire (por ejemplo, una columna de dióxido de carbono ). Una columna también puede tener una densidad mayor que el aire si la columna está a una temperatura mucho más baja que el aire. Por ejemplo, una columna demetano gaseoso evaporado de una liberación accidental de gas natural licuado (GNL) puede tener una temperatura tan fría como -161 °C (-258 °F).
Plumas pasivas o neutrales : plumas que no son ni más ligeras ni más pesadas que el aire.
Modelos de dispersión de la contaminación del aire
Existen cinco tipos de modelos de dispersión de la contaminación del aire, así como algunos híbridos de los cinco tipos: [1]
Modelo de caja : el modelo de caja es el más simple de los tipos de modelo. [2] Supone que la cuenca atmosférica (es decir, un volumen dado de aire atmosférico en una región geográfica) tiene forma de caja. También supone que los contaminantes del aire dentro de la caja están distribuidos de manera homogénea y utiliza esa suposición para estimar las concentraciones promedio de contaminantes en cualquier lugar dentro de la cuenca atmosférica. Si bien es útil, este modelo es muy limitado en su capacidad para predecir con precisión la dispersión de contaminantes del aire en una cuenca atmosférica porque la suposición de una distribución homogénea de contaminantes es demasiado simple.
Modelo gaussiano : el modelo gaussiano es quizás el más antiguo (circa 1936) [3] y quizás el tipo de modelo más comúnmente utilizado. Supone que la dispersión de contaminantes del aire tiene una distribución gaussiana , lo que significa que la distribución de contaminantes tiene una distribución de probabilidad normal. Los modelos gaussianos se utilizan con mayor frecuencia para predecir la dispersión de columnas de contaminación del aire flotantes y continuas que se originan a nivel del suelo o fuentes elevadas. Los modelos gaussianos también se pueden utilizar para predecir la dispersión de columnas de contaminación del aire no continuas (llamadas modelos puff ). El algoritmo principal utilizado en el modelado gaussiano es la ecuación de dispersión generalizada para una columna de fuente puntual continua . [4] [5]
Modelo lagrangiano : un modelo de dispersión lagrangiano sigue matemáticamente las partículas de la columna de contaminación (también llamadas partículas) a medida que se mueven en la atmósfera y modela el movimiento de las partículas como un proceso de caminata aleatoria . El modelo lagrangiano calcula luego la dispersión de la contaminación del aire calculando las estadísticas de las trayectorias de una gran cantidad de partículas de la columna de contaminación. Un modelo lagrangiano utiliza un marco de referencia móvil [6] a medida que las partículas se mueven desde su ubicación inicial. Se dice que un observador de un modelo lagrangiano sigue la columna.
Modelo euleriano : un modelo de dispersión euleriano es similar a un modelo lagrangiano en el sentido de que también sigue el movimiento de una gran cantidad de paquetes de columnas de contaminación a medida que se mueven desde su ubicación inicial. La diferencia más importante entre los dos modelos es que el modelo euleriano utiliza una cuadrícula cartesiana tridimensional fija [6] como marco de referencia en lugar de un marco de referencia móvil. Se dice que un observador de un modelo euleriano observa pasar la columna.
Modelo de gas denso : los modelos de gas denso son modelos que simulan la dispersión de columnas de contaminación de gas denso (es decir, columnas de contaminación que son más pesadas que el aire). Los tres modelos de gas denso más utilizados [ cita requerida ] [ dudoso – discutir ] son:
El modelo HEGADAS desarrollado por la división de investigación de Shell Oil . [9]
Emisión de contaminantes del aire
Fuente de emisión de contaminación del aire
Tipos de fuentes de emisión de contaminantes del aire: se denominan según sus características
Fuentes, según su forma: existen cuatro formas básicas que puede tener una fuente de emisión, que son:
Fuente puntual: fuente única e identificable de emisiones de contaminantes del aire (por ejemplo, las emisiones de los gases de combustión de un horno de combustión ). Las fuentes puntuales también se caracterizan por estar elevadas o a nivel del suelo. Una fuente puntual no tiene dimensiones geométricas .
Fuente lineal: fuente unidimensional de emisiones de contaminantes del aire (por ejemplo, las emisiones del tráfico vehicular en una carretera).
Fuente de área: fuente bidimensional de emisiones difusas de contaminantes del aire (por ejemplo, las emisiones de un incendio forestal , un vertedero o los vapores evaporados de un gran derrame de líquido volátil).
Fuente de volumen: fuente tridimensional de emisiones difusas de contaminantes del aire. Básicamente, es una fuente de área con una tercera dimensión (altura) (por ejemplo, las emisiones gaseosas fugitivas de bridas de tuberías , válvulas y otros equipos a distintas alturas dentro de instalaciones industriales como refinerías de petróleo y plantas petroquímicas ). Otro ejemplo serían las emisiones de un taller de pintura de automóviles con múltiples respiraderos en el techo o múltiples ventanas abiertas.
Fuente móvil: los autobuses son ejemplos de fuentes móviles
Fuentes, por nivel de urbanización: es importante que la fuente se encuentre dentro de una ciudad o no, ya que las áreas urbanas constituyen una denominada isla de calor y el calor que se eleva desde un área urbana hace que la atmósfera sobre un área urbana sea más turbulenta que la atmósfera sobre un área rural.
Fuente urbana: la emisión se produce en una zona urbana.
Fuente rural: la emisión se produce en una zona rural
Fuente continua: fuente a largo plazo (por ejemplo, la mayoría de las emisiones de gases de combustión son continuas)
Caracterización de la turbulencia atmosférica
Efecto de la turbulencia en la dispersión: la turbulencia aumenta el arrastre y la mezcla de aire no contaminado en la columna y, por lo tanto, actúa para reducir la concentración de contaminantes en la columna (es decir, mejora la dispersión de la columna). Por lo tanto, es importante categorizar la cantidad de turbulencia atmosférica presente en un momento dado. Este tipo de dispersión depende de la escala. [10] De modo que, para flujos donde la nube de contaminantes es más pequeña que los remolinos más grandes presentes, habrá mezcla. No hay límite en el tamaño de los movimientos de mezcla en la atmósfera y, por lo tanto, las nubes más grandes experimentarán movimientos de mezcla más grandes y más fuertes. Y, por lo tanto, este tipo de dispersión depende de la escala.
Las clases de estabilidad atmosférica de Pasquill
Clases de estabilidad atmosférica de Pasquill: el método más antiguo y, durante muchos años, el más utilizado para categorizar la cantidad de turbulencia atmosférica presente fue el método desarrollado por Pasquill en 1961. [11]
Él categorizó la turbulencia atmosférica en seis clases de estabilidad llamadas A, B, C, D, E y F, siendo la clase A la más inestable o más turbulenta, y la clase F la más estable o menos turbulenta.
En la tabla 1 se enumeran las seis clases
La Tabla 2 muestra las condiciones meteorológicas que definen cada clase. Las clases de estabilidad demuestran algunas ideas clave. La radiación solar aumenta la inestabilidad atmosférica a través del calentamiento de la superficie de la Tierra, de modo que el aire cálido se encuentra por debajo del aire más frío (y por lo tanto más denso), lo que promueve la mezcla vertical. Las noches despejadas empujan las condiciones hacia la estabilidad a medida que el suelo se enfría más rápido, lo que establece condiciones e inversiones más estables. El viento aumenta la mezcla vertical, rompiendo cualquier tipo de estratificación y empujando la clase de estabilidad hacia la neutralidad (D). [12]
Tabla 1: Clases de estabilidad de Pasquill
Tabla 2: Condiciones meteorológicas que definen las clases de estabilidad de Pasquill
La radiación solar entrante se basa en lo siguiente: fuerte (> 700 W m −2 ), moderada (350–700 W m −2 ), leve (< 350 W m −2 ) [13]
Otros parámetros que pueden definir la clase de estabilidad
La clase de estabilidad también se puede definir utilizando el
Métodos avanzados de categorización de la turbulencia atmosférica
Modelos avanzados de dispersión de la contaminación del aire: no categorizan la turbulencia atmosférica utilizando los parámetros meteorológicos simples que se utilizan comúnmente para definir las seis clases de Pasquill, como se muestra en la Tabla 2 anterior. Los modelos más avanzados utilizan alguna forma de teoría de similitud de Monin-Obukhov . Algunos ejemplos incluyen:
AERMOD [17] – el modelo más avanzado de la EPA de EE. UU., ya no utiliza las clases de estabilidad de Pasquill para categorizar la turbulencia atmosférica. En su lugar, utiliza la longitud de rugosidad de la superficie y la longitud de Monin-Obukhov .
(Los trabajos en esta sección están en continuo progreso)
Efectos de los edificios o de la corriente descendente : cuando una columna de contaminación del aire fluye sobre edificios cercanos u otras estructuras, se forman remolinos turbulentos en el lado de sotavento del edificio. Esos remolinos hacen que una columna de una fuente de chimenea ubicada a una altura de aproximadamente cinco veces la de un edificio o estructura cercana se descienda al suelo mucho antes de lo que lo haría si no hubiera un edificio o estructura presente. El efecto puede aumentar en gran medida las concentraciones de contaminantes resultantes a nivel del suelo cercanas aguas abajo del edificio o estructura. Si los contaminantes en la columna están sujetos a agotamiento por contacto con el suelo ( partículas , por ejemplo), el aumento de la concentración justo aguas abajo del edificio o estructura disminuirá las concentraciones más abajo.
La deposición de los componentes de la columna de contaminación en la superficie subyacente se puede definir como deposición seca o húmeda:
La deposición seca es la eliminación de material gaseoso o particulado de la columna de contaminación por contacto con la superficie del suelo o la vegetación (o incluso superficies de agua) a través de procesos de transferencia como la absorción y la sedimentación gravitacional . Esto se puede calcular mediante una velocidad de deposición , que está relacionada con la resistencia de la superficie subyacente a la transferencia.
La deposición húmeda es la eliminación de los componentes de una columna de contaminación por la acción de la lluvia. La deposición húmeda de radionucleidos en una columna de contaminación por una ráfaga de lluvia a menudo forma los denominados puntos calientes de radiactividad en la superficie subyacente.
Capas de inversión : [5] Normalmente, el aire cerca de la superficie de la Tierra es más cálido que el aire sobre ella porque la atmósfera se calienta desde abajo a medida que la radiación solar calienta la superficie de la Tierra, que a su vez calienta la capa de la atmósfera directamente sobre ella. Por lo tanto, la temperatura atmosférica normalmente disminuye con el aumento de la altitud. Sin embargo, bajo ciertas condiciones meteorológicas, pueden formarse capas atmosféricas en las que la temperatura aumenta con el aumento de la altitud. Tales capas se denominan capas de inversión. Cuando una capa de este tipo se forma en la superficie de la Tierra, se denomina inversión superficial . Cuando una capa de inversión se forma a cierta distancia por encima de la Tierra, se denomina inversión en lo alto (a veces denominada inversión de recubrimiento ). El aire dentro de una inversión en lo alto es muy estable con muy poco movimiento vertical. Cualquier parcela de aire ascendente dentro de la inversión pronto se expande, enfriándose adiabáticamente a una temperatura más baja que el aire circundante y la parcela deja de ascender. Cualquier parcela que se hunda pronto se comprime adiabáticamente a una temperatura más alta que el aire circundante y la parcela deja de hundirse. Por lo tanto, cualquier columna de contaminación del aire que entre en una inversión en altura experimentará muy poca mezcla vertical a menos que tenga suficiente impulso para atravesar completamente la inversión en altura. Esa es una de las razones por las que a la inversión en altura a veces se la llama inversión de recubrimiento.
Altura de mezcla : [5] Cuando se forma una inversión en altura, la capa atmosférica entre la superficie de la Tierra y la parte inferior de la inversión en altura se conoce como la capa de mezcla y la distancia entre la superficie de la Tierra y la parte inferior de la inversión en altura se conoce como la altura de mezcla . Cualquier penacho de contaminación del aire que se disperse debajo de una inversión en altura estará limitada en la mezcla vertical a la que ocurre debajo de la parte inferior de la inversión en altura (a veces llamada la tapa ). Incluso si el penacho de contaminación penetra la inversión, no experimentará ninguna mezcla vertical significativa adicional. En cuanto a un penacho de contaminación que pasa completamente a través de una capa de inversión en altura, eso rara vez ocurre a menos que la chimenea de la fuente del penacho de contaminación sea muy alta y la tapa de inversión sea bastante baja.
Véase también
Modelos de dispersión de la contaminación del aire
ADMS 3 (Sistema de modelado de dispersión atmosférica): modelo avanzado de dispersión de la contaminación atmosférica para calcular las concentraciones de contaminantes atmosféricos emitidos de forma continua desde fuentes puntuales, lineales, volumétricas y de área, o de forma intermitente desde fuentes puntuales.
^ ab Características de los modelos de dispersión Archivado el 18 de diciembre de 2012 en archive.today publicación del Centro Común de Investigación (JRC) de la Unión Europea
^ Manual técnico y guía del usuario de DEGADIS (sitio web de descarga de la EPA de EE. UU.)
^ UCRL-MA-105607, Manual del usuario para losa: un modelo de dispersión atmosférica para liberaciones más densas que el aire, Donald Ermak, junio de 1990.
^ "Manual de referencia técnica de HEGADIS" (PDF) .
^ Walton, John (abril de 1973). "Difusión dependiente de la escala". Revista de meteorología aplicada . 12 (3): 548. Código Bibliográfico :1973JApMe..12..547W. doi : 10.1175/1520-0450(1973)012<0547:sdd>2.0.co;2 .
^ Pasquill, F. (1961). La estimación de la dispersión de material transportado por el viento , The Meteorological Magazine, vol 90, núm. 1063, pp 33-49.
^ Pasquill, F. (febrero de 1961). "La estimación de la dispersión de material transportado por el viento". Revista Meteorológica . 90 : 33–49.
^ Seinfeld, John (2006). Química y física atmosférica: de la contaminación del aire al cambio climático . Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc., pág. 750. ISBN978-0-471-72018-8.
^ ab "Clases de estabilidad de Pasquill". NOAA .
^ ab Sedefian, Leon; Bennett, Edward (1980). "Una comparación de esquemas de clasificación de turbulencia". Atmospheric Environment . 14 (7): 741–750. Bibcode :1980AtmEn..14..741S. doi :10.1016/0004-6981(80)90128-6.
^ "AERMOD:Descripción de la formulación del modelo" (PDF) . 13 de julio de 2016.
^ ADMS 4 Descripción del modelo por los desarrolladores, Cambridge Environmental Research Consultants.
Lectura adicional
Turner, DB (1994). Manual de estimación de la dispersión atmosférica: una introducción al modelado de la dispersión (2.ª ed.). CRC Press. ISBN 1-56670-023-X.www.crcpress.com
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