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) h ∆h CHIMENEAS H: altura efectiva h: altura geométrica ∆h: sobreelevación del penacho 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 4.1.1. MOVIMIENTOS HORIZONTALES: VIENTOS 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

La superficie de la tierra se calienta más que el agua. 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 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

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 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= altura efectiva h= altura geométrica ∆h= sobreelevación del penacho H = h + ∆h

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)

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 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  mayores coeficientes de dispersión Dependen de la estabilidad atmosférica También existen ecuaciones para: σy y σz Tabla 4.2. Valores de las constantes a, c, d (Gifford, 1961)

Fig. 4.9. Correlaciones para y basadas en las clases de estabilidad A-F de Pasquill, denominadas curvas de Pasquill-Gifford (Kiely, 1999)

Fig. 4.10. Correlaciones para z basadas en las clases de estabilidad A-F de Pasquill, denominadas curvas de Pasquill-Gifford (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): ∆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) 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): 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 La máxima concentración ocurre aproximadamente cuando A partir del valor de σz se puede obtener la posición y de ahí la concentración máxima

MODIFICACIONES DEL MODELO EN PRESENCIA DE INVERSIÓN: x ≥ 2 XL 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 LEY STOKES (1-100 µm): Velocidad terminal de sedimentación de las partículas

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