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TEMA 4. DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES
EN LA ATMÓSFERA
4.1.
DINÁMICA DE LA ATMÓSFERA
4.1.1. MOVIMIENTOS HORIZONTALES: VIENTOS
4.1.2. MOVIMIENTOS VERTICALES: CONCEPTO DE ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA
4.2.
CONTROL DE LA CALIDAD DEL AIRE
4.2.1. DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES
4.2.2. MODELIZACIÓN DE LA DISPERSIÓN
4.3.
MODELO DE PENACHO GAUSSIANO
4.3.1. MODELO BÁSICO PARA UNA FUENTE PUNTUAL
4.3.2. CAMBIO DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO CON LA ALTURA
4.3.3. COEFICIENTES DE DISPERSIÓN
4.3.4. SOBREELEVACIÓN DEL PENACHO
4.3.5. CONCENTRACIÓN MÁXIMA A NIVEL DEL SUELO
OBJETIVOS DEL TEMA
•
Comprender aspectos básicos sobre los movimientos del aire en la atmósfera y su
importancia en el acampo de la contaminación
•
Conocer los principales factores que afectan a la dispersión de contaminantes en la
atmósfera
•
Comprender la importancia de disponer de modelos de dispersión de contaminantes
en el contexto de la asignatura
•
Ser capaz de predecir la concentración de contaminantes en circunstancias
concretas bajo la aplicación de modelos sencillos de dispersión
EXISTEN TRES POSIBILIDADES DE CONTROL DE LA CALIDAD DEL AIRE AMBIENTE:
●
Prevención de la contaminación: reducir las emisiones por el cambio de procesos o materias primas
●
Uso de un dispositivo de control de la contaminación corriente abajo: tratamiento de los efluentes
contaminados para extraer o destruir los contaminantes
●
Mejorar la dispersión: dilución de contaminantes
¿Cómo se comportan los contaminantes una vez emitidos?
¿Cómo podemos predecir su concentración en la atmósfera?
Emisión de contaminantes
Metereología
CALIDAD DEL AIRE
(niveles de inmisión)
CHIMENEAS
∆h
H: altura efectiva
h: altura geométrica
∆h: sobreelevación del penacho
H = h + ∆h
h
•
Un modelo de dispersión es una representación matemática de los procesos de transporte y difusión
que se presentan en la atmósfera
•
Aún a la fecha no se conoce con exactitud la totalidad de los procesos físicos y químicos involucrados
en el transporte, dispersión, transformación y deposición de contaminantes
•
Los modelos de dispersión permiten estimar en que grado afectarían ciertos contaminantes
atmosféricos emitidos por una fuente a la calidad del aire
LA RECIENTE DIRECTIVA 2008/50/CE, RELATIVA A LA CALIDAD DEL AIRE AMBIENTE Y A UNA
ATMÓSFERA MÁS LIMPIA EN EUROPA, MANTIENE LA IDEA DE QUE LA MODELIZACIÓN ES MUY
ÚTIL Y EN MUCHOS CASOS NECESARIA PARA:
•
Interpretar los datos medidos de concentración en relación con los procesos atmosféricos de los
contaminantes
•
Evaluar la calidad del aire en cada una de las zonas como complemento de las mediciones fijas
•
Diseñar planes y programas para garantizar el cumplimiento de los valores límite y objetivo de calidad
del aire
•
Predecir la calidad del aire
4.1. DINÁMICA DE LA ATMÓSFERA
En la atmósfera se pueden diferenciar dos tipos de movimientos: horizontales y verticales
4.1.1. MOVIMIENTOS HORIZONTALES: VIENTOS
El movimiento horizontal es el viento, y aparece como resultado de la acción de distintos efectos (T, P,
rotación de la tierra):
•
Circulación global: 3 celdas
•
Movimientos sinópticos, con dimensiones de miles de km
•
Movimientos regionales, con una escala de cientos de km
•
Movimientos locales de varias decenas de km
El viento, determina la dirección hacia la que se desplazan los contaminantes emitidos
BRISAS DE MAR Y TIERRA
DURANTE EL DÍA
La superficie de la tierra se calienta más
que el agua.
El aire que está encima de la tierra
también se calienta y al tener una
densidad más baja sube.
Esto origina un aumento de presión que
provoca un desplazamiento de las masas
altas desde la tierra hacia el mar.
El vacío que se forma en la zona baja
costera produce un viento hacia la costa
desde la mar (brisa marina)
DURANTE LA NOCHE
El mar está más caliente que la tierra, con
lo que en las capas altas el aire se dirige a
tierra creando un vacío en las capas bajas
de la atmósfera marina que atrae el aire
desde tierra hacia la mar (brisa de tierra)
Fig. 4.1. Brisa marina y brisa de tierra (publicada por Wikimedia Commons con licencia CC BY-SA 3.0)
BRISAS DE VALLE Y MONTAÑA
DURANTE EL DÍA
Durante el día las laderas de solana se
calientan más rápidamente que los fondos
de valles de un cordón montañoso.
El flujo de aire durante el día va desde el
valle hacia las partes más altas.
Esto es en dos sentidos: a lo largo del valle
hacia los sectores superiores y desde el
fondo del valle hacia las laderas.
DURANTE LA NOCHE
En la noche se produce el enfriamiento
más rápido de las laderas respecto del
valle y los vientos cambian.
Fig. 4.2. Brisa de valle y montaña (Cuadrat y Pita, 1997)
4.1.2. MOVIMIENTOS VERTICALES:
ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA
•
Una comparación del gradiente adiabático con la variación de la temperatura ambiental con la altura
en la baja atmósfera indica, en gran medida, la estabilidad de la atmósfera y es de gran utilidad en los
estudios de la dispersión atmosférica
•
Gradiente adiabático es lo que varía la temperatura con la altura de una masa de aire que se mueve
verticalmente en la atmósfera sin intercambiar calor con los alrededores (si sube se expande y se
enfría, si baja se comprime y se calienta)
•
Si se considera aire seco se denomina gradiente adiabático seco
ATMÓSFERA ESTABLE: las fuerzas físicas límitan la dispersión vertical
ATMÓSFERA INESTABLE: rápida mezcla vertical que favorece la dispersión
d  
dT
 1º C / 100 m
dz
Si fuera aire húmedo habría que tener en cuenta el porcentaje de humedad y el gradiente sería algo menor
ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA
Diversos factores (vientos, radiación solar, condiciones geográficas) hacen que el gradiente de temperatura
real difiera del adiabático, lo que determina la estabilidad atmosférica
•
GRADIENTE SUPERADIABÁTICO: ATMÓSFERA INESTABLE
•
GRADIENTE SUBADIABÁTICO: ATMÓSFERA ESTABLE
•
INVERSIÓN: CASO EXTREMO DE ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA
 dT



 dz  d 


 dT




d 
 dz


 dT

 0

 dz

Fig. 4.3. Clases de estabilidad según Pasquill-Gifford: perfil vertical de temperatura (Kiely, 1999)
INVERSIÓN POR RADIACIÓN
Suele ocurrir en las noches claras de invierno. La tierra se enfría a mayor velocidad que la atmósfera y las
capas cercanas al suelo también se enfrían a mayor velocidad (peligroso en las ciudades)
INVERSIÓN POR HUNDIMIENTO
Cuando se forma una zona de altas presiones (anticiclón) se genera una circulación que hace que el aire
descienda. Al descender se comprime y se calienta dando lugar a una capa de inversión
Además, la zona de altas presiones da lugar a cielos despejados que propician que por la noche se origine
una inversión por radiación debajo de la de por hundimiento
La inversión por hundimiento puede durar meses
Fig. 4.4. Inversión térmica (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)
4.2.1. DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES
CARACTERÍSTICAS DEL FOCO EMISOR
GASES: contaminantes emitidos, concentración, caudal, velocidad de salida y temperatura
FOCOS FIJOS (puntuales, de área, fugitivas)
FOCOS MÓVILES (automóviles, camiones, barcos, aviones)
CHIMENEA: altura y diámetro
SITUACIÓN: topografía, obstáculos
FACTORES METEOROLÓGICOS
TEMPERATURA AMBIENTE
VIENTO
ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA: influye en la sobreelevación y determina el tipo de penach
Fig. 4.5. Foco emisor de contaminantes (publicada en Wikimedia Commons con licencia CC BY-SA 3.0)
Fig. 4.6. Penachos de chimeneas para diferentes clases de estabilidad: a) inestable b) neutra c) estable (Kiely, 1999)
Fig. 4.7. Penachos de chimeneas para diferentes clases de estabilidad: a) inversión térmica por debajo, neutra por arriba b)
inversión por arriba, neutra hacia abajo c) inversión por arriba, neutra hacia abajo (Kiely, 1999)
4.3. MODELO DE PENACHO GAUSSIANO
4.3.1. MODELO BÁSICO PARA UNA FUENTE PUNTUAL
El modelo básico es aplicable para un único foco emisor y considera que la concentración promedio de
contaminante en el penacho sigue una distribución en forma de campana de Gauss
SUPUESTOS:
Un foco puntual
La velocidad de emisión de contaminantes
es constante
La velocidad del viento es constante
El contaminante es conservativo (no
reacciona o sedimenta)
El terreno es relativamente llano (campo
abierto)
No hay capas de inversión
Fig. 4.8. Modelo del penacho (Kiely, 1999)
DISPERSIÓN DEL CONTAMINANTE EN TRES DIMENSIONES
Considerando la dispersión del contaminante en tres dimensiones se establece el modelo
2 
2
2 









Q
1
y
1
z

H
1
z

H

  exp  
   exp  
 
C x, y, z  
exp  
   
   
 2  y  


2  y z uH
2
2
z


 z  

  






c(x,y,z) = concentración contaminante
q = velocidad emisión contaminante (µg/s)
uh = velocidad viento a la altura efectiva
y = distancia al eje
σy = coeficiente dispersión horizontal
σz = coeficiente dispersión vertical
H = h + ∆h
H= altura efectiva
h= altura geométrica
∆h= sobreelevación del penacho
A NIVEL DEL SUELO (z=0)
La concentración de contaminante a nivel del suelo es directamente proporcional a la velocidad de emisión
de contaminante (fácil calcular la reducción de emisión)
La concentración de contaminante a nivel del suelo es menor cuanto mayor sea H (no hay relación linear)
La distancia a la chimenea está implícita en el cálculo de los coeficientes de dispersión
Aunque C aparece en la ecuación como inversamente proporcional a la velocidad del viento, uH también
influye en la altura efectiva de la chimenea
Este modelo sólo es aplicable bajo los supuestos establecidos sus prediciones deben de considerarse
como estimaciones aproximadas (errores de ±50% son habituales)
2
2
2 



 y  




Q
1
1
z

H
1
z

H

  exp  
   exp  
 
C x, y, z  
exp  

 2  y  
 2  z  
 2  z   
2  y z uH




 




2
2


 y  


Q
1
1
H
  exp  
 
C x, y  
exp  






 y z uH
2  y 
2  z  




4.3.2. CAMBIO DE VELOCIDAD DEL VIENTO CON LA ALTURA
Lo habitual es disponer de datos medidos con un anemómetro instalado a 10 m sobre el suelo
Para alturas hasta cientos de metros
p
 uH   H 

  
u z 
 a  a
uH = velocidad del viento a la altura efectiva
ua = velocidad del viento a la altura medida
H = altura efectiva de la chimenea
za = altura del anemómetro
p = parámetro adimensional que depende de las características del terreno y la estabilidad atmosférica
Tabla 4.1. Valores de p recomendados por la EPA para terrenos rugosos en la proximidad del anemómetro
(Gifford, 1961). * Para terrenos con superficie lisa se deben multiplicar por 0,6 (ej. agua)
4.3.3. COEFICIENTES DE DISPERSIÓN, σy y σz
•
σy y σz son las desviaciones estándar vertical y horizontal que determinan la forma de la curva de
Gauss (Gifford, 1961)
•
A más distancia del foco emisor los picos son menores y mayora anchura de la curva 
coeficientes de dispersión
•
Dependen de la estabilidad atmosférica
•
También existen ecuaciones para: σy y σz
 y  a x0,894
z  c xd  f
Tabla 4.2. Valores de las constantes a, c, d (Gifford, 1961)
mayores
Fig. 4.9. Correlaciones para y basadas en las clases de estabilidad A-F de Pasquill, denominadas curvas de PasquillGifford (Kiely, 1999)
Fig. 4.10. Correlaciones para z basadas en las clases de estabilidad A-F de Pasquill, denominadas curvas de PasquillGifford (Kiely, 1999)
4.3.4. SOBREELEVACIÓN DEL PENACHO
FÓRMULAS DE BRIGGS
En la sobreelevación del penacho influyen una serie de factores: velocidad de los gases de salida,
diferencia de temperaturas, estabilidad atmosférica (Kiely, 1999)
ATMÓSFERA ESTABLE (E, F):
 F
h  2,6 
 uH S
1/ 3





T
2
F  gr v s 1  a
Ts

∆h = sobreelevación del penacho
g = aceleración de la gravedad
r = radio interior de la chimenea
uH = velocidad del viento a la altura de la chimenea




vs = velocidad del gas de salida
Ts = temperatura del gas de salida (K)
Ta = temperatura ambiente (K)
F = flotabilidad (m4/s3)
g  Ta

S
 0,01º C / m 

Ta  z

S = parámetro de estabilidad (s-2)
xf = 3,14 uh/S1/2= distancia a partir de la cual no se produce
sobreelevación
ATMÓSFERA NEUTRA O INESTABLE (A,B,C,D):
1,6 F1/ 3 x 2f / 3
h 
uH
xf = 120 F0.4 si F≥55 m4/s3
xf = 120 F5/8 si F<55 m4/s3
4.3.5. CONCENTRACIÓN MÁXIMA A NIVEL DEL SUELO
DIRECCIÓN DEL VIENTO, y = 0
En la dirección del viento será donde se alcancen las máximas concentraciones
Con y = 0 el modelo se simplifica
2

H 
Q
1
 
C x,0 
exp  
 2  z  
 y z uH


La máxima concentración ocurre aproximadamente cuando
z 
H
2
A partir del valor de σz se puede obtener la posición y de ahí la concentración máxima
Cmax 
0,1171 Q
uH  y  z
MODIFICACIONES DEL MODELO
EN PRESENCIA DE INVERSIÓN: x ≥ 2 XL
C x, y  
2



Q
1 y  
exp  
 2  y  
2 y L uH

 

MODELO DE TURNER DE MEZCLA COMPLETA
•
Para x ≤ XL se puede aplicar el modelo básico
•
Entre XL y 2XL las concentraciones pueden calcularse mediante interpolación entre los valores
calculados para XL y 2XL
PARTÍCULAS
2

 y    z  H  V x / u  2 
1
t
H  
   
C x, y, z  
exp  

 





2  y z uH
2  y 
z
 

 
Qp
LEY STOKES (1-100 µm):
Velocidad terminal de sedimentación de las partículas
Vt 
g dp2 p
18 g
OTROS MODELOS
•
Importante evolución a lo largo de los últimos 20 años
•
Métodos numéricos que requieren una mayor capacidad y potencia por parte de las plataformas
computacionales (modelos de celda múltiple)
•
Desarrollo al compás del incremento en la capacidad computacional y del desarrollo de modelos
metereológicos
Web Española sobre Modelización de la Contaminación Atmosférica: modelos utilizados en España
MODELOS METEOROLÓGICOS
MM5, RSM, CALMET, WRF, MEMO, TVM, RAMS, HIRLAM, ARPS
MODELOS DE DISPERSIÓN Y TRAYECTORIAS
HYSPLIT-simulación de trayectorias de masas de aire asociadas a episodios de ozono troposférico,
AIRESAN-predicción del máximo de ozono diario, APM2, MELPUFF, SLP-2D, FLEXPART, HYPACT
MODELOS FOTOQUÍMICOS
CMAQ, CAMX-modelo euleriano de dispersión que permite la modelización integrada de los distintos
mecanismos de dispersión fotoquímica y transporte de los contaminantes en fase gaseosa y particulada,
OPANA, CHIMERE, MOCAGE
MODELOS DE EMISIONES
CAMO-modelo de simulación del tráfico vehicular para entornos urbanos, EMIMO, HERMES, MNEQA
Información
metereológica
(modelos)
Emisiones
Usos del suelo y
topografía
MODELOS DE DISPERSIÓN TIPO LAGRANGIANO
(análisis de trayectorias; sistema de referencia se fija en una nube de
contaminantes que se mueven en una corriente)
•
Apropiados para simulaciones de accidentes en centrales nucleares y
otros casos de emergencias
•
Resultan menos adecuados para la simulación de contaminantes
reactivos o secundarios
MODELOS DE DISPERSIÓN TIPO EULERIANO
(estudio de un volumen fijo del espacio; sistema de referencia fijo sobre la
superficie de la tierra)
•
Apropiados para simulaciones sobre entornos urbanos o regionales y
para obtener las concentraciones de contaminantes 1º o 2º tanto
reactivos como no reactivos