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 ciencias ambientales , 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 nocivos en la atmósfera de la Tierra, causando enfermedades , muerte a los seres humanos, daños a otros organismos vivos, como cultivos alimentarios, y al medio ambiente natural o construido . La contaminación del aire puede provenir de fuentes antropogénicas o naturales. La dispersión se refiere a lo que sucede con la contaminación durante y después de su introducción; comprender esto puede ayudar a identificarlo y controlarlo.
Visualización de una boyante columna gaussiana de dispersión de contaminantes atmosféricos
Penacho de emisión de contaminación del aire: flujo de contaminante en forma de vapor o humo liberado al aire. Las columnas son de considerable importancia en el modelado de la dispersión atmosférica de la contaminación del aire. Hay tres tipos principales de columnas de emisiones de contaminación del aire :
Penachos de gas densos : Penachos que son más pesados que el aire porque tienen una mayor densidad que el aire ambiente circundante. Una columna puede tener una densidad mayor que el aire porque tiene un peso molecular más alto que el aire (por ejemplo, una columna de dióxido de carbono ). Una columna también puede tener una densidad más alta que el aire si la columna está a una temperatura mucho más baja que el aire. Por ejemplo, una columna de metano gaseoso evaporado procedente de una liberación accidental de gas natural licuado (GNL) puede alcanzar una temperatura tan fría como -161 °C (-258 °F).
Penachos pasivos o neutros : Penachos que no son ni más ligeros ni más pesados 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] Se 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 homogéneamente y utiliza ese supuesto para estimar las concentraciones promedio de contaminantes en cualquier lugar dentro de la cuenca atmosférica. Aunque útil, este modelo tiene una capacidad muy limitada para predecir con precisión la dispersión de los contaminantes del aire en una cuenca porque el supuesto de una distribución homogénea de los contaminantes es demasiado simple.
Modelo gaussiano : el modelo gaussiano es quizás el tipo de modelo más antiguo (alrededor de 1936) [3] y quizás el más utilizado. Se supone que la dispersión de los contaminantes del aire tiene una distribución gaussiana , lo que significa que la distribución de los 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 en fuentes elevadas o a nivel del suelo. Los modelos gaussianos también se pueden utilizar para predecir la dispersión de columnas de contaminación del aire no continuas (llamados modelos de soplo ). El algoritmo principal utilizado en el modelado gaussiano es la ecuación de dispersión generalizada para una pluma de fuente puntual continua . [4] [5]
Modelo lagrangiano : un modelo de dispersión lagrangiano sigue matemáticamente las parcelas de penachos de contaminación (también llamadas partículas) a medida que se mueven en la atmósfera y modela el movimiento de las parcelas como un proceso de caminata aleatoria . Luego, el modelo lagrangiano calcula la dispersión de la contaminación del aire calculando las estadísticas de las trayectorias de una gran cantidad de parcelas de penacho de contaminación. Un modelo lagrangiano utiliza un marco de referencia en movimiento [6] a medida que las parcelas 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 rastrea el movimiento de una gran cantidad de parcelas de penachos 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 el paso de la columna.
Modelo de gas denso : los modelos de gas denso son modelos que simulan la dispersión de columnas densas de contaminación por gases (es decir, columnas de contaminación que son más pesadas que el aire). Los tres modelos de gases densos más utilizados [ cita necesaria ] [ dudoso - discutir ] son:
El modelo HEGADAS desarrollado por la división de investigación de Shell Oil . [9]
Emisión de contaminantes al aire
Fuente de emisión de contaminación del aire
Tipos de fuentes de emisión de contaminantes atmosféricos: denominados así por sus características
Fuentes, por forma: hay cuatro formas básicas que puede tener una fuente de emisión. Ellos son:
Fuente puntual: fuente única e identificable de emisiones de contaminantes atmosféricos (por ejemplo, las emisiones de la chimenea de 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 atmosféricos (por ejemplo, las emisiones del tráfico de vehículos en una carretera).
Fuente de área: fuente bidimensional de emisiones difusas de contaminantes atmosféricos (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 atmosféricos. Esencialmente, 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 diversas 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 ventilaciones en el techo o múltiples ventanas abiertas.
Fuente móvil: los autobuses son ejemplos de fuentes móviles
Fuentes, por nivel de urbanización: si la fuente está dentro de una ciudad o no es relevante porque las áreas urbanas constituyen lo que se llama 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. encima de una zona rural
Fuente urbana: la emisión se produce en una zona urbana.
Fuente rural: la emisión se produce en una zona rural
Fuentes, por elevación
Fuente superficial o a nivel del suelo
Fuente cercana a la superficie
fuente elevada
Fuentes, por duración
Fuente de soplo o intermitente: fuentes de corto plazo (por ejemplo, muchas emisiones accidentales son soplos de corto plazo)
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 sobre 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 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 contaminante 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 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]
Clasificó la turbulencia atmosférica en seis clases de estabilidad denominadas A , B, C, D, E y F siendo la clase A la clase más inestable o más turbulenta, y la clase F la clase más estable o menos turbulenta.
La Tabla 1 enumera las seis clases.
La Tabla 2 proporciona 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 caliente está debajo del aire más frío (y por lo tanto más denso) promoviendo la mezcla vertical. Las noches despejadas empujan las condiciones hacia la estabilidad a medida que el suelo se enfría más rápido, estableciendo 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: Las clases de estabilidad de Pasquill
Tabla 2: Condiciones meteorológicas que definen las clases de estabilidad 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 para categorizar la turbulencia atmosférica.
Modelos avanzados de dispersión de la contaminación del aire: no clasifican la turbulencia atmosférica utilizando los parámetros meteorológicos simples comúnmente utilizados para definir las seis clases 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 Pasquill para categorizar la turbulencia atmosférica. En su lugar, utiliza la longitud de rugosidad de la superficie y la longitud de Monin-Obukhov .
(El trabajo en esta sección está en continuo progreso)
Efectos de construcción o flujo descendente : cuando una columna de contaminación del aire fluye sobre edificios u otras estructuras cercanas, se forman remolinos turbulentos en el lado del edificio a favor del viento. Esos remolinos provocan que una columna de una fuente de chimenea ubicada a unas cinco veces la altura de un edificio o estructura cercana sea forzada a descender al suelo mucho antes de lo que lo haría si el edificio o la estructura no estuviera presente. El efecto puede aumentar en gran medida las concentraciones resultantes de contaminantes a nivel del suelo aguas abajo del edificio o estructura. Si los contaminantes de 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 pluma 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 las superficies del agua) mediante 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 la columna de contaminación mediante la acción de la lluvia. La deposición húmeda de radionucleidos en una columna de contaminación por una ráfaga de lluvia a menudo forma los llamados 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 que está encima 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 encima. él. Por tanto, la temperatura atmosférica normalmente disminuye al aumentar la altitud. Sin embargo, bajo determinadas condiciones meteorológicas se pueden formar capas atmosféricas en las que la temperatura aumenta al aumentar la altitud. Estas 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 se forma una capa de inversión a cierta distancia sobre la Tierra, se llama inversión en altura (a veces denominada inversión de cobertura ). El aire dentro de una inversión en altura es muy estable con muy poco movimiento vertical. Cualquier porción de aire ascendente dentro de la inversión pronto se expande, enfriándose así adiabáticamente a una temperatura más baja que el aire circundante y la porción deja de ascender. Cualquier paquete que se hunde pronto se comprime adiabáticamente a una temperatura más alta que el aire circundante y el paquete deja de hundirse. Por lo tanto, cualquier columna de contaminación del aire que entre en una inversión en altura sufrirá muy poca mezcla vertical a menos que tenga suficiente impulso para atravesar completamente la inversión en altura. Ésa es una de las razones por las que una inversión en altura a veces se denomina inversión de tope.
Altura de mezcla : [5] Cuando se forma una inversión en lo alto, la capa atmosférica entre la superficie de la Tierra y el fondo de la inversión en lo alto se conoce como capa de mezcla y la distancia entre la superficie de la Tierra y el fondo de la inversión en lo alto se conoce como la altura de mezcla . Cualquier columna de contaminación del aire que se disperse debajo de una inversión en lo alto se limitará en mezcla vertical a la que ocurre debajo de la parte inferior de la inversión en lo alto (a veces llamada tapa ) . Incluso si la columna de contaminación penetra la inversión, no sufrirá ninguna mezcla vertical significativa. En cuanto a que una columna de contaminación pase completamente a través de una capa de inversión en lo alto, eso rara vez ocurre a menos que la columna fuente de la columna de contaminación sea muy alta y la tapa de inversión sea bastante baja.
Ver 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 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 Conjunto de Investigación de la Unión Europea (JRC)
^ 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 emisiones 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 del material transportado por el viento , The M Weather Magazine, vol 90, No. 1063, pp 33-49.
^ Pasquill, F. (febrero de 1961). "La estimación de la dispersión del material transportado por el viento". Revista Meteorológica . 90 : 33–49.
^ Seinfeld, John (2006). Química y física atmosféricas: de la contaminación del aire al cambio climático . Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc. p. 750.ISBN978-0-471-72018-8.
^ ab "Clases de estabilidad de Pasquill". NOAA .
^ ab Sedefian, León; Bennett, Eduardo (1980). "Una comparación de esquemas de clasificación de turbulencias". Ambiente Atmosférico . 14 (7): 741–750. Código Bib : 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 parte de los desarrolladores, Cambridge Environmental Research Consultants.
Otras lecturas
Turner, DB (1994). Libro de trabajo de estimaciones de dispersión atmosférica: una introducción al modelado de dispersión (2ª ed.). Prensa CRC. ISBN 1-56670-023-X.www.crcpress.com
Modelos de calidad del aire (en el sitio web de la EPA de EE. UU.)
El Sistema de Documentación Modelo (MDS) del Centro Temático Europeo sobre el Aire y el Cambio Climático (parte de la Agencia Europea de Medio Ambiente )
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