Modelado de la dispersión atmosférica

Parte de una serie sobre
Contaminación
Fuente de contaminación del aire industrial
Aire Lluvia ácida Índice de calidad del aire Modelado de la dispersión atmosférica Clorofluorocarbono Combustion Exhaust gas Haze Global dimming Global distillation Indoor air quality Ozone depletion Particulates Persistent organic pollutant Smog Soot Volatile organic compound
Biological Biological hazard Genetic Illegal logging Introduced species Invasive species
Digital Information
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Natural Ozone Radium and radon in the environment Volcanic ash Wildfire
Noise Transportation Health effects from noise Marine mammals and sonar Noise barrier Noise control Soundproofing
Radiation Actinides Bioremediation Depleted uranium Nuclear fission Nuclear fallout Plutonium Poisoning Radioactivity Uranium Radioactive waste
Soil Agricultural Land degradation Bioremediation Defecation Electrical resistance heating Illegal mining Soil guideline values Phytoremediation
Solid waste Advertising mail Biodegradable waste Brown waste Electronic waste Foam food container Food waste Green waste Hazardous waste Industrial waste Litter Mining Municipal solid waste Nanomaterials Plastic Packaging waste Post-consumer waste Waste management
Space Space debris
Thermal Urban heat island
Visual Air travel Advertising clutter Overhead power lines Traffic signs Vandalism
War Chemical warfare Herbicidal warfare Agent Orange Nuclear holocaust Nuclear fallout Nuclear famine Nuclear winter Scorched earth Unexploded ordnance War and environmental law
Water Agricultural wastewater Biosolids Diseases Eutrophication Firewater Freshwater Groundwater Hypoxia Industrial wastewater Marine Monitoring Nonpoint source Nutrient Ocean acidification Oil spill Pharmaceuticals Freshwater salinization Septic tanks Sewage Shipping Sludge Stagnation Sulfur water Surface runoff Turbidity Urban runoff Water quality Wastewater
Topics History Pollutants Heavy metals Paint
Misc Area source Brain health and pollution Debris Dust Garbology Legacy Midden Point source Waste Toxic Lists Diseases Law by country Most polluted cities Least polluted cities by PM2.5 Treaties Categories By country
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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 obligatoria según la Ley de Aire Limpio (CAA) de los EE. UU. , codificada en la Parte 68 del Título 40 del Código de Reglamentos 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.

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.

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 de la columna y también incluía el efecto de la reflexión de la columna sobre el suelo.

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]}

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

dónde:
${\displaystyle f}$	= parámetro de dispersión del viento cruzado
	=${\displaystyle \exp \;[-\,y^{2}/\,(2\;\sigma _{y}^{2}\;)\;]}$
${\displaystyle g}$	= parámetro de dispersión vertical =${\displaystyle \,g_{1}+g_{2}+g_{3}}$
${\displaystyle g_{1}}$	= dispersión vertical sin reflexiones
	=${\displaystyle \;\exp \;[-\,(z-H)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
${\displaystyle g_{2}}$	= dispersión vertical por reflexión desde el suelo
	=${\displaystyle \;\exp \;[-\,(z+H)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
${\displaystyle g_{3}}$	= dispersión vertical por reflexión desde una inversión en lo alto
	=${\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }\;{\big \{}\exp \;[-\,(z-H-2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
	${\displaystyle +\,\exp \;[-\,(z+H+2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
	${\displaystyle +\,\exp \;[-\,(z+H-2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
	${\displaystyle +\,\exp \;[-\,(z-H+2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]{\big \}}}$
${\displaystyle C}$	= concentración de emisiones, en g/m³, en cualquier receptor situado:
	x metros a sotavento del punto de origen de la emisión
	y metros de viento cruzado desde la línea central de la columna de emisión
	z metros sobre el nivel del suelo
${\displaystyle Q_{}}$	= tasa de emisión de contaminantes de la fuente, en g/s
${\displaystyle u}$	= velocidad del viento horizontal a lo largo de la línea central de la columna, m/s
${\displaystyle H}$	= altura de la línea central de la columna de emisión sobre el nivel del suelo, en m
${\displaystyle \sigma _{z}}$	= desviación estándar vertical de la distribución de emisiones, en m
${\displaystyle \sigma _{y}}$	= desviación estándar horizontal de la distribución de emisiones, en m
${\displaystyle L_{}}$	= altura desde el nivel del suelo hasta el fondo de la inversión en lo alto, en m
${\displaystyle \exp }$	= la función exponencial

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.${\displaystyle g_{3}}$

${\displaystyle \sigma _{z}}$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.${\displaystyle \sigma _{y}}$

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

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

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

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

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. ^[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 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:

dónde:
Δh	= elevación de la columna, en m
F	= factor de flotabilidad, en m 4 s −3
incógnita	= distancia a sotavento desde la fuente de la columna, en m
xf​	= distancia a favor del viento desde la fuente de la columna hasta el punto de máxima elevación de la columna, en m
tú	= velocidad del viento a la altura real de la chimenea, en m/s
s	= parámetro de estabilidad, en s −2

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

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.

• Administracion de Administracion
• MODULO AERICO

• EN UN PASO
• Calpuff
• CMAQ
• DISPERSIÓN21
• FLACS
• PIEZA FLEXIBLE

• HÍBRIDO
• CSC3
• NOMBRE
• MERCURIO
• OSPM
• Fluidyn-Panache
• RIMPUF
• AIRE SEGURO
• Pluma de soplo
• POLIFEMO
• MUNICH

• Grupo de modelado de la calidad del aire
• Laboratorio de Recursos Aéreos
• Instituto Meteorológico de Finlandia
• KNMI, Real Instituto Meteorológico Holandés
• Instituto Nacional de Investigación Ambiental de Dinamarca
• Instituto Meteorológico e Hidrológico de Suecia
• TA Aire
• Comité de enlace para la modelización de la dispersión atmosférica en el Reino Unido
• Oficina de modelado de dispersión del Reino Unido
• Instituto de Investigación del Desierto
• VITO (instituto) Bélgica; https://vito.be/en
• Agencia Sueca de Investigación de Defensa , FOI

• Terminología de dispersión de la contaminación del aire
• Lista de modelos de dispersión atmosférica
• Sistema portátil de medición de emisiones (PEMS)
• Modelado de la dispersión del aire en las carreteras
• Conversiones y fórmulas útiles para modelar la dispersión del aire
• Pronóstico de la contaminación del aire

• 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.