Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001 ESTABILIDAD ATMOSFERICA.

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1 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001 ESTABILIDAD ATMOSFERICA Y ALTURA DE LA CAPA DE MEZCLA República de Colombia

2 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001 LA CAPA SUPERFICIAL Es la capa atmosférica más baja que funciona como visagra entre la superficie del planeta y el cuerpo principal de la atmosfera. Esta capa es denominada capa limite planetaria o capa limite atmosferica A través de esta capa, pasa gran contenido de calor, el cual representa el motor que pone en movimiento la atmosfera. En ella ocurren variaciones de densidad, temperatura y de momentum, generando la turbulencia La dinámica de esta capa influye en el transporte y la dispersión de los contaminantes emitidos cerca del suelo

3 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001 Los factores meteorológicos de importancia fundamental en lo que concierna al transporte, difusión y dispersión de los contaminantes son: Estado termodinámico de la atmósfera Viento Estabilidad atmosferica La altura de la capa de mezcla

4 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA ESTADO TERMODINÁMICO DE LA ATMÓSFERA Conjunto de variables físicas que pueden medirse microscópicamente que permiten describir el estado de la atmósfera: Variables de estado: Temperatura del aire Presión atmosférica Nubosidad Características del aire seco Densidad y calor especifico Características del aire húmedo Temperatura bulbo seco Temperatura bulbo húmedo Temperatura del punto de rocío Parámetros de humedad Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

5 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA VIENTO El viento es una variable vectorial, definida de manera univoca por las componentes de campo de la velocidad a lo largo de los ejes coordenados, identificadas com V x, V y y V z o u, v y w. El modulo U del vector viento se define velocidad del viento. _________ U =  u 2 +v 2 + w 2 La direccion del viento es la direccion de la cual proviene el viento. D = 90° - 360° arctan [v / u] +  0  0 = 0° si v > 0  0 = 180° en otros casos Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

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7 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA ESTABILIDAD ATMOSFERICA Se define como la imposibilidad del aire de extenderse hacia arriba o hacia abajo, es decir que no se mueve fácilmente. Si el aire se mueve hacia arriba o se extiende hacia abajo, pero no se aleja mas más allá de después de que el empuje ha cesado, entonces se dice que la atmósfera tiene estabilidad neutra. La inestabilidad atmosférica describe la facilidad con la que pueden moverse aire verticalmente. Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

8 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA El aire que se deplaza hacia arriba en la atmosfera sufre una expansión adiabatica. Considerando el aire como un gas ideal. dp = -  gdz Proceso en un sistema cerrado y cuasi estatico. Aplicando la 1° Ley de la termodinamica dQ = du + dw dQ = du + pd  dQ = C p dT -  dp Proceso adiabatico C p dT =  dp -  T/  z = g/C p = 9.8°C/km Gradiente Adiabatico Seco  Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

9 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Si el vapor de agua contenido en una parcela de aire se condensa, el proceso no es adiabático, porque la energía contenida en el agua es eliminada de la parcela. El proceso se denomina pseudoadiabático. La primera ley de la termodinámica se convierte en: C p dT/T - R s dp/p = -d(Lw/T) -(  T/  z) s = g/C p + L/C p (dw/dz)  6°C/km Gradiente Adiabatico Humedo  s, Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

10 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA En la troposfera o parte baja de la atmósfera la temperatura disminuye al aumentar la altura, con tasas que varian de acuerdo al estado ambiental. Esta variación de temperatura a lo largo de la vertical se conoce como: Gradiente Vertical de Temperatura . Cuando la temperatura aumenta con la altura, esta variacion recibe el nombre de inversión. Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

11 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA CONDICIONES DE ESTABILIDAD  <  la partícula queda más fría que el ambiente atmósfera estable  >  la partícula queda más calida que el ambiente atmósfera inestable  =  la partícula queda con la misma temperatura ambiente. Atmósfera indiferente o neutra Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

12 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA CONDICIONES DE ESTABILIDAD NEUTRA Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

13 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA CONDICIONES DE ESTABILIDAD Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

14 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA CONDICIONES DE INESTABILIDAD Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

15 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Categoría de Estabilidad de Pasquill - Guifford horas diurnas horas nocturnas Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

16 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA TEMPERATURA POTENCIAL Temperatura potencial, , es la temperatura que alcanzaría la parcela de aire si se moviera isentrópicamente hasta el nivel de presión de referencia p s (normalmente se utiliza un valor de 1000 hPa).  = T (p s /p) R/Cp   T +0.9098 z d  /dz = dT/dz + 0.9098 > 0 Estable < 0 Inestable =0 Neutro Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

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18 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA LA ALTURA DE LA CAPA DE MEZCLA La profundidad vertical de la atmósfera donde se produce el mezclado se denomina capa de mezcla. La parte superior de esta capa se conoce como altura de mezcla. La altura de mezcla determina el alcance vertical del proceso de dispersión de los contaminantes liberados debajo de ella. Generalmente la altura de mezcla no se mide directamente, se obtiene con cálculos aproximados a partir de las mediciones meteorológicas rutinarias. Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

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20 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Una porción de aire después de calentada, subirá dentro de la atmósfera local hasta que su temperatura T' sea igual a T aire. En dicho punto, la porción de aire y sus alrededores están en equilibrio neutral y la altura donde ocurre lo anteriormente descrito se denomina Altura Máxima de Mezclado (AMM) o límite superior de la Capa Límite Planetaria (Wark y Warner; 1998). Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

21 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA CALCULO ALTURA DE CAPA DE MEZCLA Algoritmo para reconstruir el Balance Energético Superficial Algoritmo para deducir los parámetros turbulentos en horas diurnas Algoritmo para deducir los parámetros turbulentos en horas nocturnas Algoritmo para estimar la Altura de Capa de Mezcla Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

22 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Algoritmo para reconstruir el Balance Energético Superficial Usando el Método de Balance Radiactivo, se reconstruye la Radiación Solar Global (R g ) y la Radiación Neta (R N ) : donde T es la temperatura (k) del aire,  es el coeficiente de “albedo” Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

23 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Algoritmo para deducir los parámetros turbulentos Flujo de calor sensible: donde A = 2.4N - 25.5 y N es la nubosidad Flujo de calor en el suelo: Flujo de Calor latente: Velocidad de fricción: Este parámetro se calcula a través del conocimiento de H 0 y de la relación de Similaridad que describe el perfil vertical del viento en la capa superficial Temperatura de escala: Longitud de Monin Obukhov Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001

24 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales Ministerio del Medio Ambiente SINA Algoritmo para estimar la Altura de Capa de Mezcla La estimación de la altura de mezcla se hace teniendo en cuenta tanto la contribución de tipo mecánico (siempre presente) representada por la velocidad de fricción como la contribución de tipo convectivo (presente sólo en las horas con flujo sensible de calor positivo) representada por H 0. Además, si dichos parámetros y las variables meteorológicas tienen un comportamiento distinto en el día y la noche y crean situaciones convectivas y estables. Convenio DAMA – IDEAM No. 183/2001