Modelado de la dispersión atmosférica

El modelado de dispersión atmosférica es la simulación matemática de cómo los contaminantes del aire se dispersan en la atmósfera ambiente . Se realiza con programas informáticos que incluyen algoritmos para resolver las ecuaciones matemáticas que rigen la dispersión de contaminantes. Los modelos de dispersión se utilizan para estimar la concentración ambiental a sotavento de contaminantes del aire o toxinas emitidas por fuentes como plantas industriales, tráfico vehicular o liberaciones químicas accidentales. También se pueden utilizar para predecir concentraciones futuras en escenarios específicos (es decir, cambios en las fuentes de emisión). Por lo tanto, son el tipo dominante de modelo utilizado en la formulación de políticas de calidad del aire. Son más útiles para contaminantes que se dispersan a grandes distancias y que pueden reaccionar en la atmósfera. Para contaminantes que tienen una variabilidad espacio-temporal muy alta (es decir, tienen una distancia muy pronunciada a la descomposición de la fuente, como el carbono negro ) y para estudios epidemiológicos , también se utilizan modelos estadísticos de regresión del uso de la tierra.

Los modelos de dispersión son importantes para las agencias gubernamentales encargadas de proteger y gestionar la calidad del aire ambiente . Los modelos se emplean normalmente para determinar si las instalaciones industriales existentes o propuestas cumplen o cumplirán con las Normas Nacionales de Calidad del Aire Ambiente (NAAQS) en los Estados Unidos y otras naciones. Los modelos también sirven para ayudar en el diseño de estrategias de control efectivas para reducir las emisiones de contaminantes atmosféricos nocivos. A finales de la década de 1960, la Oficina de Control de la Contaminación del Aire de la EPA de EE. UU. inició proyectos de investigación que conducirían al desarrollo de modelos para el uso de los planificadores urbanos y de transporte. ^[1] Una aplicación importante y significativa de un modelo de dispersión de carreteras que resultó de dicha investigación se aplicó a la autopista Spadina de Canadá en 1971.

Los modelos de dispersión de aire también son utilizados por los equipos de respuesta a emergencias y de seguridad pública para la planificación de emergencias en caso de liberaciones químicas accidentales. Los modelos se utilizan para determinar las consecuencias de liberaciones accidentales de materiales peligrosos o tóxicos. Las liberaciones accidentales pueden provocar incendios, derrames o explosiones que involucran materiales peligrosos, como sustancias químicas o radionucleidos. Los resultados del modelado de dispersión, utilizando los términos de fuente de liberación accidental y las condiciones meteorológicas del peor caso, pueden proporcionar una estimación de la ubicación de las áreas impactadas, las concentraciones ambientales y utilizarse para determinar las acciones de protección adecuadas en caso de que se produzca una liberación. Las acciones de protección adecuadas pueden incluir la evacuación o el refugio en el lugar para las personas en la dirección de sotavento. En las instalaciones industriales, este tipo de evaluación de las consecuencias o planificación de emergencia es requerida según la Ley de Aire Limpio (CAA) de los EE. UU. codificada en la Parte 68 del Título 40 del Código de Regulaciones Federales .

Los modelos de dispersión varían dependiendo de las matemáticas utilizadas para desarrollar el modelo, pero todos requieren la entrada de datos que pueden incluir:

Condiciones meteorológicas como la velocidad y dirección del viento, la cantidad de turbulencia atmosférica (caracterizada por lo que se denomina "clase de estabilidad" ), la temperatura del aire ambiente, la altura hasta el fondo de cualquier inversión en altura que pueda estar presente, la cobertura de nubes y la radiación solar.
Término fuente (la concentración o cantidad de toxinas en términos fuente de emisión o liberación accidental ) y temperatura del material
Parámetros de emisiones o liberación, como ubicación y altura de la fuente, tipo de fuente (es decir, incendio, charco o chimenea de ventilación) y velocidad de salida , temperatura de salida y tasa de flujo másico o tasa de liberación.
Elevaciones del terreno en la ubicación de la fuente y en la(s) ubicación(es) del receptor, como casas, escuelas, negocios y hospitales cercanos.
La ubicación, la altura y el ancho de cualquier obstrucción (como edificios u otras estructuras) en el camino de la columna gaseosa emitida, la rugosidad de la superficie o el uso de un parámetro más genérico: terreno "rural" o "urbano".

Muchos de los programas de modelado de dispersión modernos y avanzados incluyen un módulo de preprocesamiento para la entrada de datos meteorológicos y de otro tipo, y muchos también incluyen un módulo de posprocesamiento para graficar los datos de salida y/o trazar en mapas el área afectada por los contaminantes del aire. Los gráficos de las áreas afectadas también pueden incluir isopletas que muestran áreas de concentraciones mínimas a altas que definen las áreas de mayor riesgo para la salud. Los gráficos de isopletas son útiles para determinar las acciones de protección para el público y los socorristas.

Los modelos de dispersión atmosférica también se conocen como modelos de difusión atmosférica, modelos de dispersión del aire, modelos de calidad del aire y modelos de dispersión de la contaminación del aire.

Capas atmosféricas

Es necesario analizar las capas de la atmósfera terrestre para comprender dónde se dispersan los contaminantes transportados por el aire. La capa más cercana a la superficie de la Tierra se conoce como troposfera . Se extiende desde el nivel del mar hasta una altura de unos 18 km (11 mi) y contiene alrededor del 80 por ciento de la masa de la atmósfera total. La estratosfera es la siguiente capa y se extiende desde los 18 km (11 mi) hasta unos 50 km (31 mi). La tercera capa es la mesosfera , que se extiende desde los 50 km (31 mi) hasta unos 80 km (50 mi). Hay otras capas por encima de los 80 km, pero son insignificantes con respecto al modelado de la dispersión atmosférica.

La parte más baja de la troposfera se denomina capa límite planetaria (CLP) o, a veces, capa límite atmosférica . La temperatura del aire de la CLP disminuye con el aumento de la altitud hasta que alcanza una inversión de recubrimiento , que es un tipo de capa de inversión donde el aire más cálido se encuentra a mayor altura en la atmósfera que el aire más frío. Llamamos a la región de la CLP por debajo de su inversión de recubrimiento capa límite planetaria convectiva ; normalmente tiene una altura de 1,5 a 2 km (0,93 a 1,24 mi). La parte superior de la troposfera (es decir, por encima de la capa de inversión) se llama troposfera libre y se extiende hasta la tropopausa (el límite en la atmósfera de la Tierra entre la troposfera y la estratosfera). En latitudes tropicales y medias durante el día, la capa convectiva libre puede comprender toda la troposfera, que tiene hasta 10 a 18 km (6,2 a 11,2 mi) en la zona de convergencia intertropical .

La capa de inversión térmica es importante para el transporte y la dispersión de contaminantes atmosféricos, ya que la dinámica turbulenta del viento es más intensa en la superficie de la Tierra. La parte de la capa de inversión térmica entre la superficie de la Tierra y la parte inferior de la capa de inversión térmica se conoce como capa de mezcla. Casi todos los contaminantes atmosféricos emitidos a la atmósfera ambiente se transportan y dispersan dentro de la capa de mezcla. Algunas de las emisiones penetran en la capa de inversión térmica y entran en la troposfera libre por encima de la capa de inversión térmica.

En resumen, las capas de la atmósfera terrestre desde la superficie del suelo hacia arriba son: la capa límite atmosférica, formada por la capa de mezcla cubierta por la capa de inversión; la troposfera libre; la estratosfera; la mesosfera y otras. Muchos modelos de dispersión atmosférica se denominan modelos de capa límite porque modelan principalmente la dispersión de contaminantes del aire dentro de la capa límite atmosférica. Para evitar confusiones, los modelos denominados modelos de mesoescala tienen capacidades de modelado de dispersión que se extienden horizontalmente hasta unos pocos cientos de kilómetros. Esto no significa que modelen la dispersión en la mesosfera.

Ecuación de dispersión de contaminantes del aire de Gauss

La literatura técnica sobre la dispersión de la contaminación atmosférica es bastante extensa y data de la década de 1930 y antes. Una de las primeras ecuaciones de dispersión de la columna de contaminantes atmosféricos fue derivada por Bosanquet y Pearson ^[2] . Su ecuación no suponía una distribución gaussiana ni incluía el efecto de la reflexión del suelo de la columna de contaminantes.

En 1947, Sir Graham Sutton derivó una ecuación de dispersión de la columna de contaminantes del aire ^[3] que incluía el supuesto de una distribución gaussiana para la dispersión vertical y transversal del viento de la columna y también incluía el efecto de la reflexión del suelo sobre la columna.

Con el estímulo que supuso la llegada de estrictas normas de control medioambiental , entre finales de los años 1960 y la actualidad se produjo un enorme crecimiento en el uso de cálculos de dispersión de columnas de contaminantes atmosféricos. Durante ese período se desarrollaron numerosos programas informáticos para calcular la dispersión de las emisiones de contaminantes atmosféricos, denominados "modelos de dispersión atmosférica". La base de la mayoría de esos modelos era la ecuación completa para el modelado de la dispersión gaussiana de columnas de contaminación atmosférica continuas y flotantes que se muestra a continuación: ^[4]^[5]

$C={\frac {\;Q}{u}}\cdot {\frac {\;f}{\sigma _{y}{\sqrt {2\pi }}}}\;\cdot {\frac {\;g_{1}+g_{2}+g_{3}}{\sigma _{z}{\sqrt {2\pi }}}}$

La ecuación anterior no sólo incluye la reflexión ascendente desde el suelo, sino también la reflexión descendente desde la parte inferior de cualquier tapa de inversión presente en la atmósfera.

La suma de los cuatro términos exponenciales converge a un valor final con bastante rapidez. En la mayoría de los casos, la suma de las series con m = 1, m = 2 y m = 3 proporcionará una solución adecuada. $g_{3}$

$\sigma _{z}$ y son funciones de la clase de estabilidad atmosférica (es decir, una medida de la turbulencia en la atmósfera ambiente) y de la distancia a favor del viento hasta el receptor. Las dos variables más importantes que afectan al grado de dispersión de la emisión de contaminantes obtenido son la altura del punto de origen de la emisión y el grado de turbulencia atmosférica. Cuanto mayor sea la turbulencia, mejor será el grado de dispersión. $\sigma _{y}$

Las ecuaciones ^[6]^[7] para y son: $\sigma _{y}$ $\sigma _{z}$

$\sigma _{y}$ (x) = exp(I _y + J _y ln(x) + K _y [ln(x)] ² )

$\sigma _{z}$ (x) = exp(Iz ₊ Jz _ln (x) + Kz _[ ln(x)] ² )

(las unidades de , y , y x están en metros) $\sigma _{z}$ $\sigma _{y}$

La clasificación de la clase de estabilidad es propuesta por F. Pasquill. ^[8] Las seis clases de estabilidad son: A-extremadamente inestable B-moderadamente inestable C-ligeramente inestable D-neutral E-ligeramente estable F-moderadamente estable

Los cálculos resultantes de las concentraciones de contaminantes del aire se expresan a menudo como un mapa de contorno de la concentración de contaminantes del aire para mostrar la variación espacial de los niveles de contaminantes en una amplia zona de estudio. De esta manera, las líneas de contorno pueden superponerse a las ubicaciones de los receptores sensibles y revelar la relación espacial de los contaminantes del aire con las áreas de interés.

Mientras que los modelos más antiguos se basan en clases de estabilidad (véase la terminología de dispersión de la contaminación del aire ) para la determinación de y , los modelos más recientes se basan cada vez más en la teoría de similitud de Monin-Obukhov para derivar estos parámetros. $\sigma _{y}$ $\sigma _{z}$

Ecuaciones de ascenso de la columna de Briggs

La ecuación de dispersión de contaminantes del aire gaussiana (discutida anteriormente) requiere la entrada de H , que es la altura de la línea central de la columna de contaminantes sobre el nivel del suelo, y H es la suma de H _s (la altura física real del punto de fuente de emisión de la columna de contaminantes) más Δ H (la elevación de la columna debido a su flotabilidad).

Para determinar Δ H , muchos, si no la mayoría, de los modelos de dispersión del aire desarrollados entre finales de los años 1960 y principios de los años 2000 utilizaron lo que se conoce como las ecuaciones de Briggs. GA Briggs publicó por primera vez sus observaciones y comparaciones de la elevación de la pluma en 1965. ^[9] En 1968, en un simposio patrocinado por CONCAWE (una organización holandesa), comparó muchos de los modelos de elevación de la pluma que estaban disponibles en la literatura en ese momento. ^[10] Ese mismo año, Briggs también escribió la sección de la publicación editada por Slade ^[11] que trataba sobre los análisis comparativos de los modelos de elevación de la pluma. A esto le siguió en 1969 su revisión crítica clásica de toda la literatura sobre la elevación de la pluma, ^[12] en la que propuso un conjunto de ecuaciones de elevación de la pluma que se han hecho ampliamente conocidas como "las ecuaciones de Briggs". Posteriormente, Briggs modificó sus ecuaciones de elevación de la pluma de 1969 en 1971 y en 1972. ^[13]^[14]

Briggs dividió las columnas de contaminación del aire en estas cuatro categorías generales:

Columnas de chorro frío en condiciones de aire ambiente tranquilo
Columnas de chorro frío en condiciones de aire ambiente ventoso
Columnas de aire caliente y flotantes en condiciones ambientales tranquilas
Columnas de aire caliente y flotante en condiciones ambientales ventosas

Briggs consideró que la trayectoria de las columnas de chorro frías estaba dominada por su momento de velocidad inicial, y la trayectoria de las columnas calientes y flotantes estaba dominada por su momento flotante en la medida en que su momento de velocidad inicial era relativamente poco importante. Aunque Briggs propuso ecuaciones de ascenso de columnas para cada una de las categorías de columnas mencionadas anteriormente, es importante destacar que "las ecuaciones de Briggs" que se utilizan ampliamente son las que propuso para columnas flotantes calientes y dobladas.

En general, las ecuaciones de Briggs para columnas de humo flotantes calientes y curvadas se basan en observaciones y datos que involucran columnas de humo provenientes de fuentes de combustión típicas, como las chimeneas de gases de combustión de calderas generadoras de vapor que queman combustibles fósiles en grandes centrales eléctricas. Por lo tanto, las velocidades de salida de las chimeneas probablemente estaban en el rango de 20 a 100 pies/s (6 a 30 m/s) con temperaturas de salida que oscilaban entre 250 y 500 °F (120 a 260 °C).

A continuación se presenta un diagrama lógico para utilizar las ecuaciones de Briggs ^[4] para obtener la trayectoria de ascenso de las columnas flotantes dobladas:

Los parámetros anteriores utilizados en las ecuaciones de Briggs se analizan en el libro de Beychok. ^[4]

Véase también

Modelos de dispersión atmosférica

La lista de modelos de dispersión atmosférica ofrece una lista de modelos más completa que la que se incluye a continuación. Incluye una descripción muy breve de cada modelo.

HÍBRIDO
CSC3
NOMBRE
MERCURIO
OSPM
Fluidyn-Panache
RIMPUF
AIRE SEGURO
PLUMA DE SOPLADO
POLIFEMO
MUNICH

Organizaciones

Otros

Referencias

^ Fensterstock, JC et al., "Reducción del potencial de contaminación del aire mediante la planificación ambiental" ^{[ enlace muerto permanente ]} , JAPCA, Vol.21, No.7, 1971.
^ Bosanquet, CH y Pearson, JL, "La propagación del humo y los gases de las chimeneas", Trans. Faraday Soc., 32:1249, 1936
^ Sutton, OG, "El problema de la difusión en la atmósfera inferior", QJRMS, 73:257, 1947 y "La distribución teórica de la contaminación atmosférica procedente de las chimeneas de las fábricas", QJRMS, 73:426, 1947
^ abc Beychok, Milton R. (2005). Fundamentos de la dispersión de gases en chimeneas (4.ª ed.). Publicado por el autor. ISBN 0-9644588-0-2.
^ Turner, DB (1994). Manual de estimaciones de dispersión atmosférica: una introducción al modelado de la dispersión (2.ª ed.). CRC Press. ISBN 1-56670-023-X.
^ Seinfeld, John H. (2006). "Capítulo 18". Química y física atmosférica: de la contaminación del aire al cambio climático . Wiley. ISBN 9780471720171.
^ Hanna, Steven (1982). "Manual sobre difusión atmosférica". Informe del Departamento de Energía de Estados Unidos .
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^ Briggs, GA, "Un modelo de ascenso de la columna en comparación con las observaciones", JAPCA, 15:433–438, 1965
^ Briggs, GA, "Reunión de CONCAWE: discusión de las consecuencias comparativas de diferentes fórmulas de ascenso de la columna", Atmos. Envir., 2:228–232, 1968
^ Slade, DH (editor), "Meteorología y energía atómica 1968", Laboratorio de Recursos del Aire, Departamento de Comercio de los EE. UU., 1968
^ Briggs, GA, "Plume Rise", Serie de reseñas críticas de USAEC, 1969
^ Briggs, GA, "Algunos análisis recientes de la observación del ascenso de la columna de humo", Proc. Segundo Congreso Internacional de Aire Limpio, Academic Press, Nueva York, 1971
^ Briggs, GA, "Discusión: columnas de humo en ambientes neutros y estables", Atmos. Envir., 6:507–510, 1972

Lectura adicional

Libros

Introductorio

Beychok, Milton R. (2005). Fundamentos de la dispersión de gases en chimeneas (4.ª ed.). Publicado por el autor. ISBN 0-9644588-0-2.
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Centro para la seguridad de procesos químicos (1996). Pautas para el uso de modelos de dispersión de fuentes y nubes de vapor, con ejemplos prácticos (2.ª ed.). Instituto Americano de Ingenieros Químicos, Nueva York, NY. ISBN 978-0-8169-0702-1.
Schnelle, Karl B. y Dey, Partha R. (1999). Guía de cumplimiento de modelos de dispersión atmosférica (1.ª ed.). McGraw-Hill Professional. ISBN 0-07-058059-6.
Turner, DB (1994). Manual de estimación de la dispersión atmosférica: Introducción al modelado de la dispersión (2.ª ed.). CRC Press. ISBN 1-56670-023-X.

Avanzado

Arya, S. Pal (1998). Meteorología y dispersión de la contaminación atmosférica (1.ª ed.). Oxford University Press. ISBN 0-19-507398-3.
Barrat, Rod (2001). Modelado de la dispersión atmosférica (1.ª ed.). Earthscan Publications. ISBN 1-85383-642-7.
Colls, Jeremy (2002). Contaminación del aire (1.ª ed.). Spon Press (Reino Unido). ISBN 0-415-25565-1.
Cooper JR, Randle K, Sokh RG (2003). Liberaciones radiactivas en el medio ambiente (1.ª ed.). John Wiley & Sons. ISBN 0-471-89924-0.
Centro Europeo de Seguridad de Procesos (1999). Dispersión atmosférica (1.ª ed.). Rugby: Institution of Chemical Engineers. ISBN 0-85295-404-2.
Godish, Thad (2003). Calidad del aire (4.ª ed.). CRC Press. ISBN 1-56670-586-X.
Hanna, SR y Drivas, DG (1996). Pautas para el uso de modelos de dispersión de nubes de vapor (2.ª ed.). Instituto Estadounidense de Ingenieros Químicos (Wiley-American Institute of Chemical Engineers). ISBN 0-8169-0702-1.
Hanna, SR y Strimaitis, DG (1989). Workbook of Test Cases for Vapor Cloud Source Dispersion Models (1.ª ed.). Centro para la seguridad de procesos químicos, Instituto Americano de Ingenieros Químicos. ISBN 0-8169-0455-3.
Hanna, SR y Britter, RE (2002). Flujo de viento y dispersión de nubes de vapor en sitios industriales y urbanos (1.ª ed.). Instituto Estadounidense de Ingenieros Químicos de Wiley. ISBN 0-8169-0863-X.
Perianez, Raul (2005). Modelado de la dispersión de radionucleidos en el ambiente marino: una introducción (1ª ed.). Springer. ISBN 3-540-24875-7.
Pielke, Roger A. (2001). Modelado de mesoescala (2.ª ed.). Elsevier. ISBN 0-12-554766-8.
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Actas

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Bartzis, J. G., ed. (1998). Armonización en el modelado de la dispersión atmosférica con fines regulatorios (5.º taller) . Revista internacional de medio ambiente y contaminación, vol. 14, núm. 1–6, Interscience Enterprises, 2000. ISSN 0957-4352.
Coppalle, A., ed. (1999). Armonización en el modelado de la dispersión atmosférica con fines regulatorios (6.º taller) . Revista internacional de medio ambiente y contaminación, vol. 16, núm. 1–6, Inderscience Enterprises, 2001. ISSN 0957-4352.
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Suppan, P., ed. (2004). Armonización en el modelado de la dispersión atmosférica con fines regulatorios (8º taller) . Revista internacional de medio ambiente y contaminación, vol. 24 núm. 1–6 y vol. 25 núm. 1–6, Inderscience Enterprises, 2005. ISSN 0957-4352.
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Borrego, C.; Incecik, S., eds. (2003). Reunión técnica internacional sobre modelado de la contaminación atmosférica y su aplicación (26.ª edición) . Comité de la OTAN sobre los retos de la sociedad moderna [por] Kluwer Academic/Plenum Press, 2004. ISBN 0-306-48464-1.
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Guía

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Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (1999). Guía del programa de gestión de riesgos para el análisis de consecuencias fuera del sitio (apéndices) (PDF) . Oficina de Residuos Sólidos y Respuesta a Emergencias, EPA 550-B-99-009. Archivado desde el original (PDF) el 2010-04-17 . Consultado el 2010-04-09 .
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Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (2009). Capítulo 4: Análisis de las consecuencias fuera del sitio. En la Guía general sobre programas de gestión de riesgos para la prevención de accidentes químicos (40 CFR Parte 68) (PDF) . Oficina de Residuos Sólidos y Respuesta a Emergencias, EPA 555-B-04-001.

Enlaces externos

Centro de apoyo de la EPA para el modelado atmosférico regulatorio
Grupo de modelado de la calidad del aire (AQMG) de la EPA
Laboratorio de Recursos del Aire (ARL) de la NOAA
Sitio web del Comité de enlace de modelado de dispersión atmosférica del Reino Unido
Sitio web de la Oficina de Modelado de Dispersión del Reino Unido
Modelo de transporte de química atmosférica LOTOS-EUROS
Modelo de Sustancias Prioritarias Operacionales (OPS ) (en holandés)
Modelado de dispersión HAMS-GPS
Wiki sobre modelado de la dispersión atmosférica. Dirigida a la comunidad internacional de modeladores de la dispersión atmosférica, principalmente investigadores, pero también usuarios de modelos. Su objetivo es reunir las experiencias adquiridas por los modeladores de la dispersión durante su trabajo.