Modelado de dispersión atmosférica.

El modelado de dispersión atmosférica es la simulación matemática de cómo se dispersan los contaminantes del aire en la atmósfera ambiental . Se realiza con programas informáticos que incluyen algoritmos para resolver las ecuaciones matemáticas que gobiernan la dispersión de contaminantes. Los modelos de dispersión se utilizan para estimar la concentración ambiental a favor del viento de contaminantes del aire o toxinas emitidas por fuentes como plantas industriales, tráfico de vehículos o emisiones 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 encuentran dispersos a grandes distancias y que pueden reaccionar en la atmósfera. Para los contaminantes que tienen una variabilidad espacio-temporal muy alta (es decir, tienen una distancia muy pronunciada hasta la fuente de descomposición, 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 generalmente se emplean para determinar si las instalaciones industriales nuevas existentes o propuestas cumplen o cumplirán con los Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental (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 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 socorristas de seguridad pública y el personal de gestión de emergencias también utilizan los modelos de dispersión del aire para la planificación de emergencias en caso de liberaciones químicas accidentales. Los modelos se utilizan para determinar las consecuencias de las liberaciones accidentales de materiales peligrosos o tóxicos. Las liberaciones accidentales pueden provocar incendios, derrames o explosiones que involucran materiales peligrosos, como productos químicos 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 y las concentraciones ambientales, y usarse para determinar las acciones protectoras apropiadas en caso de que ocurra una liberación. Las acciones protectoras apropiadas pueden incluir la evacuación o refugio en el lugar para las personas en la dirección del viento. En las instalaciones industriales, este tipo de evaluación de consecuencias o planificación de emergencias se requiere según la Ley de Aire Limpio (CAA) de EE. UU. codificada en la Parte 68 del Título 40 del Código de Regulaciones Federales .

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

Condiciones meteorológicas como la velocidad y dirección del viento, la cantidad de turbulencia atmosférica (caracterizada por lo que se llama "clase de estabilidad" ), la temperatura del aire ambiente, la altura hasta el fondo de cualquier inversión en altura que pueda estar presente, la nubosidad y radiación solar.
Término de fuente (la concentración o cantidad de toxinas en términos de fuente de emisión o liberación accidental ) y temperatura del material
Emisiones o parámetros de liberación como ubicación y altura de la fuente, tipo de fuente (es decir, fuego, piscina 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 origen y en las ubicaciones de receptor, como hogares, escuelas, empresas y hospitales cercanos.
La ubicación, altura y ancho de cualquier obstrucción (como edificios u otras estructuras) en el camino de la columna de gas emitida, la rugosidad de la superficie o el uso de un parámetro más genérico de terreno "rural" o "urbano".

Muchos de los programas modernos y avanzados de modelado de dispersión incluyen un módulo de preprocesador para la entrada de datos meteorológicos y de otro tipo, y muchos también incluyen un módulo de posprocesador para representar gráficamente los datos de salida y/o trazar el área impactada por los contaminantes del aire en mapas. Las parcelas de áreas impactadas también pueden incluir isopletas que muestren áreas de concentraciones mínimas a altas que definen áreas de mayor riesgo para la salud. Los gráficos de isopletas son útiles para determinar acciones protectoras 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 en la atmósfera. La capa más cercana a la superficie terrestre se conoce como troposfera . Se extiende desde el nivel del mar hasta una altura de unos 18 km (11 millas) y contiene aproximadamente el 80 por ciento de la masa de la atmósfera total. La estratosfera es la siguiente capa y se extiende desde 18 km (11 millas) hasta aproximadamente 50 km (31 millas). La tercera capa es la mesosfera que se extiende desde 50 km (31 millas) hasta aproximadamente 80 km (50 millas). Hay otras capas por encima de los 80 km, pero son insignificantes con respecto al modelado de dispersión atmosférica.

La parte más baja de la troposfera se llama capa límite atmosférica (ABL) o capa límite planetaria (PBL). La temperatura del aire de la atmósfera disminuye al aumentar la altitud hasta que alcanza lo que se llama una capa de inversión (donde la temperatura aumenta al aumentar la altitud) que cubre la capa límite convectiva , típicamente a aproximadamente 1,5 a 2 km (0,93 a 1,24 millas) de altura. . 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 terrestre entre la troposfera y la estratosfera). En latitudes tropicales y medias durante el día, la capa convectiva libre puede comprender toda la troposfera, que se encuentra entre 10 y 18 km (6,2 a 11,2 millas) en la zona de convergencia intertropical .

El ABL es de los más importantes con respecto a la emisión, transporte y dispersión de contaminantes en el aire. La parte del ABL entre la superficie de la Tierra y el fondo de la capa de inversión se conoce como capa de mezcla. Casi todos los contaminantes del aire emitidos a la atmósfera ambiente se transportan y dispersan dentro de la capa de mezcla. Algunas de las emisiones penetran la capa de inversión y entran en la troposfera libre por encima del ABL.

En resumen, las capas de la atmósfera terrestre desde la superficie del suelo hacia arriba son: la ABL formada por la capa de mezcla rematada por la capa de inversión; la troposfera libre; la estratosfera; la mesosfera y otros. Muchos modelos de dispersión atmosférica se denominan modelos de capa límite porque modelan principalmente la dispersión de contaminantes del aire dentro de la ABL. 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. No significa que modelen la dispersión en la mesosfera.

Ecuación gaussiana de dispersión de contaminantes atmosféricos

La literatura técnica sobre la dispersión de la contaminación del aire es bastante extensa y se remonta a la década de 1930 y antes. Bosanquet y Pearson derivaron una de las primeras ecuaciones de dispersión de penachos de contaminantes atmosféricos. ^[2] Su ecuación no asumió una distribución gaussiana ni incluyó el efecto de la reflexión en el suelo de la columna de contaminantes.

Sir Graham Sutton derivó una ecuación de dispersión de la pluma de contaminantes atmosféricos en 1947 ^[3] que incluía el supuesto de una distribución gaussiana para la dispersión vertical y cruzada de la pluma y también incluía el efecto de la reflexión de la pluma en el suelo.

Bajo el estímulo proporcionado por la llegada de estrictas regulaciones de control ambiental , hubo un inmenso crecimiento en el uso de cálculos de dispersión de penachos de contaminantes atmosféricos entre finales de la década de 1960 y la actualidad. Durante ese período se desarrollaron numerosos programas informáticos para calcular la dispersión de las emisiones de contaminantes atmosféricos y se denominaron "modelos de dispersión del aire". La base para la mayoría de esos modelos fue la ecuación completa para el modelado de dispersión gaussiana de columnas de contaminación del aire flotantes y continuas 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 hacia arriba desde el suelo, sino que también incluye la reflexión hacia abajo 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. Para 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 ambiental) y de la distancia a favor del viento hasta el receptor. Las dos variables más importantes que afectan el grado de dispersión de las emisiones contaminantes obtenidas son la altura del punto de origen de la emisión y el grado de turbulencia atmosférica. Cuanta más 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(I _z + J _z ln(x) + K _z [ln(x)] ² )

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

La clasificación de las clases de estabilidad es propuesta por F. Pasquill. ^[8] Se hace referencia a las seis clases de estabilidad: 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 a menudo se expresan como un mapa de contorno de concentración de contaminantes del aire para mostrar la variación espacial en los niveles de contaminantes en una amplia área bajo estudio. De esta manera, las curvas de nivel pueden superponerse a ubicaciones sensibles de receptores 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 (ver 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 pluma de Briggs

La ecuación gaussiana de dispersión de contaminantes del aire (analizada anteriormente) requiere la entrada de H , que es la altura de la línea central de la columna de contaminante sobre el nivel del suelo, y H es la suma de H _s (la altura física real del punto de origen de la emisión de la columna de contaminante) más Δ H (el penacho se eleva debido a la flotabilidad del penacho).

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 2000 utilizaron lo que se conoce como ecuaciones de Briggs. GA Briggs publicó por primera vez sus observaciones y comparaciones del aumento del penacho en 1965. ^[9] En 1968, en un simposio patrocinado por CONCAWE (una organización holandesa), comparó muchos de los modelos de aumento del penacho disponibles entonces en la literatura. ^[10] En ese mismo año, Briggs también escribió la sección de la publicación editada por Slade ^[11] que trata de los análisis comparativos de los modelos de aumento de la pluma. A esto le siguió en 1969 su clásica revisión crítica de toda la literatura sobre el aumento del penacho, ^[12] en la que propuso un conjunto de ecuaciones de aumento del penacho que se han vuelto ampliamente conocidas como "las ecuaciones de Briggs". Posteriormente, Briggs modificó sus ecuaciones de aumento de la pluma de 1969 en 1971 y 1972. ^[13]^[14]

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

Penachos de chorros fríos en condiciones de aire ambiente tranquilo
Penachos de chorros fríos en condiciones de aire ambiente ventoso
Plumas calientes y flotantes en condiciones de aire ambiente tranquilo
Penachos calientes y flotantes en condiciones de aire ambiente ventoso

Briggs consideró que la trayectoria de las columnas de chorros fríos estaba dominada por su impulso de velocidad inicial, y que la trayectoria de las columnas de chorros calientes y flotantes estaba dominada por su impulso de velocidad inicial en la medida en que su impulso de velocidad inicial era relativamente poco importante. Aunque Briggs propuso ecuaciones de elevación de la pluma para cada una de las categorías de pluma anteriores, es importante enfatizar que "las ecuaciones de Briggs" que se utilizan ampliamente son las que propuso para las plumas flotantes calientes e inclinadas.

En general, las ecuaciones de Briggs para las columnas de humo calientes e inclinadas se basan en observaciones y datos que involucran columnas de fuentes de combustión típicas, como las chimeneas de gases de combustión de las calderas generadoras de vapor que queman combustibles fósiles en grandes centrales eléctricas. Por lo tanto, las velocidades de salida de la chimenea 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 inclinadas:

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

Ver también

Modelos de dispersión atmosférica.

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

ADMS
AERMOD

HIPLIT
ISC3
NOMBRE
MERCURO
OSPM
Fluidyn-Panache
RIMPUFF
AIRE SEGURO
PLUMA DE PUFF
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 de humo y gases de las chimeneas", Trans. Sociedad Faraday, 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 del aire procedente de las chimeneas de las fábricas", QJRMS, 73:426, 1947
^ abc Beychok, Milton R. (2005). Fundamentos de la dispersión de gases de chimenea (4ª ed.). publicado por el autor. ISBN 0-9644588-0-2.
^ 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.
^ Seinfeld, John H. (2006). "Capítulo 18". Química y física atmosféricas: de la contaminación del aire al cambio climático . Wiley. ISBN 9780471720171.
^ Hanna, Steven (1982). "Manual de difusión atmosférica". Informe del Departamento de Energía de EE. UU .
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^ Briggs, GA, "Un modelo de aumento de la pluma comparado con las observaciones", JAPCA, 15:433–438, 1965
^ Briggs, GA, "Reunión CONCAWE: discusión de las consecuencias comparativas de diferentes fórmulas de aumento de la pluma", Atmos. Medio ambiente, 2:228–232, 1968
^ Slade, DH (editor), "Meteorología y energía atómica 1968", Laboratorio de Recursos del Aire, Departamento de Comercio de EE. UU., 1968
^ Briggs, GA, "Plume Rise", Serie de reseñas críticas de USAEC, 1969
^ Briggs, GA, "Algunos análisis recientes de la observación del aumento de la pluma", Proc. Segunda Internacional. Congreso de Aire Limpio, Academic Press, Nueva York, 1971
^ Briggs, GA, "Discusión: penachos de chimeneas en un entorno neutral y estable", Atmos. Medio ambiente, 6:507–510, 1972

Otras lecturas

Libros

Introductorio

Beychok, Milton R. (2005). Fundamentos de la dispersión de gases de chimenea (4ª ed.). publicado por el autor. ISBN 0-9644588-0-2.
Centro de Seguridad de Procesos Químicos (1999). Directrices para el análisis cuantitativo de riesgos de procesos químicos (2ª ed.). Instituto Americano de Ingenieros Químicos, Nueva York, NY. ISBN 978-0-8169-0720-5.
Centro para la seguridad de procesos químicos (1996). Directrices para el uso de modelos de dispersión de fuentes y nubes de vapor, con ejemplos resueltos (2ª 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 del modelado de dispersión atmosférica (1ª ed.). Profesional de McGraw-Hill. ISBN 0-07-058059-6.
Turner, DB (1994). Libro de trabajo de estimaciones de dispersión atmosférica: introducción al modelado de dispersión (2ª ed.). Prensa CRC. ISBN 1-56670-023-X.

Avanzado

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Barrat, Rod (2001). Modelado de dispersión atmosférica (1ª ed.). Publicaciones Earthscan. ISBN 1-85383-642-7.
Colls, Jeremy (2002). Contaminación del aire (1ª ed.). Prensa patrocinada (Reino Unido). ISBN 0-415-25565-1.
Cooper JR, Randle K, Sokh RG (2003). Emisiones radiactivas en el medio ambiente (1ª ed.). John Wiley e hijos. ISBN 0-471-89924-0.
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Divino, Thad (2003). Calidad del aire (4ª ed.). Prensa CRC. ISBN 1-56670-586-X.
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Hanna, SR y Strimaitis, DG (1989). Libro de trabajo de casos de prueba para modelos de dispersión de fuentes de nubes de vapor (1ª 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 del viento y dispersión de nubes de vapor en sitios industriales y urbanos (1ª ed.). Instituto Wiley-Americano de Ingenieros Químicos. ISBN 0-8169-0863-X.
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Pielke, Roger A. (2001). Modelado de mesoescala (2ª ed.). Elsevier. ISBN 0-12-554766-8.
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Actas

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Guía

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Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (2009). Capítulo 4: Análisis de consecuencias fuera del sitio. En 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 de la EPA (AQMG)
Laboratorio de Recursos del Aire (ARL) de la NOAA
Sitio web del Comité de enlace sobre modelos 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
El modelo de Sustancias Prioritarias Operativas OPS (en holandés)
Modelado de dispersión HAMS-GPS
Wiki sobre modelos de dispersión atmosférica. Se dirige a la comunidad internacional de modeladores de dispersión atmosférica, principalmente investigadores, pero también usuarios de modelos. Su objetivo es poner en común las experiencias adquiridas por los modeladores de dispersión durante su trabajo.