calidad del aire

CALIDAD DEL AIRE
Conceptos fundamentales
• IQ. Mauricio Alexander Rincón
ESTUDIOS AMBIENTALES
•
•
•
•
Estudios de Impacto ambiental
Planes de Manejo Ambiental
Estudio de Alternativas
…
Vizzuete 2010
Movimiento en Compartimentos ambientales
• ESCALAS ESPACIO-TEMPORALES
ESCALA GLOBAL
Cambio climático
Perdida capacidad
oxidativa
Aumento ozono
troposférico
Erupciones
volcánicas
ESCALA
INTERCONTINENTAL
(Sinóptica)
Emisiones por transporte
Advección
Incendios forestales
Quema de biomasa
Smog ártico
Lluvia acida
Polvo sahariano
ESCALA
REGIONAL/LOCAL
(Mesoescalaconvectiva
Contaminación
primaria
Contaminación
secundaria
Contaminación
intramural
Olores
Escala temporal
• Escala espacial
Senfield & Pandis 2005
¿Cómo influye la atmósfera?
ATMOSFERA TERRESTRE = PIEL DEL PLANETA
Masa atmosférica Aproximadamente 5,15
EXP 18 kg
Masa total del Planeta 5,98 EXP 24 kg
Atmosfera es 1 ppm de la masa terrestre
99% de la masa de
78% de Nitrógeno N2
la atmosfera esta
21% de Oxígeno O2
en los 30 km!
0,9% de Argón Ar
0,1% de otros gases, entre ellos 0,0380 %
(380 ppm) de dióxido de carbono CO2.
Cantidades variables de vapor de agua.
Tierra
BALANCE RADIATIVO
CIRCULACION GLOBAL
Insolación Ecuador =2.4*Polos
Efecto coriolis
Insolación Ecuador =2.4*Polos
CIRCULACION GLOBAL
¡Motor de disipación de calor!
http://www.youtube.com/watch?v=fuw8wO
ESTRUCTURA ATMOSFERICA
http://www.kowoma.de/en/gps/additional/atmosphere.htm
CAPA LIMITE
• METEOROLOGIA
“Conocimiento de lo alto del cielo”
ESTUDIO DE LOS FENOMENOS ATMOSFERICOS (Meteoros)
Evolución en el tiempo:
ACTUAL Y CORTO TIEMPO:
Estado del tiempo (Weather) --- DIAS
CONDICIONES MEDIAS DURANTE PERIODOS PROLONGADOS
Clima ---- DECADAS
http://www.wageningenur.nl/en/Expertise-Services/Chair-groups/Environmental-Sciences/EarthSystem-Science-Group/Research/Research-facilities/New-Developments.htm
ESTABILIDAD
Perturbación a un estado de equilibrio  realimentación
negativa, nula , o positiva.
Punto de referencia: gradiente adiabático seco (g)
Altura de mezcla
RADIOSONDEO
FORMA DEL PENACHO EN FUNCION DE
LA ESTABILIDAD
R. Jimenez 2011
¿Cuándo hay contaminación
del aire?
contaminación en la atmósfera por una sustancia
Existe
cuando:
•
Se encuentra en concentraciones elevadas por encima de sus
niveles normales
•
Durante periodo de tiempo suficientemente prolongados como para
producir
–
–
–
–
efectos adversos
importantes sobre:
Salud y bienestar humano
La vida de especies animales y vegetación
Materiales y el patrimonio
Realización de actividades
Contaminantes
ORIGEN
Contaminantes
CICLO DE VIDA
Contaminantes CRITERIO
Son indicadores normativos de la calidad del aire, basados en
criterios resultantes del estudio de las correlaciones entre su
presencia y afectación a la salud humana, el ambiente y la
propiedad, así mismo tienden a encontrarse en el área
regulada.
¿Y los modelos?
REALIDAD
MODELO
DEFINICION MODELOS DE
DISPERSION DE CONTAMINANTES
ATOSFERICOS
• Son formulaciones matematicas que
representan la interaccion de las variables o
parametros de mayor interés que afectan la
concentracion de contaminantes
Ci = mi / V
Permiten:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Evaluar niveles de cumplimiento normativo.
Determinar niveles de reduccion de emisiones.
Evaluar impacto de fuentes
Determinar alturas apropiadas de chimenea
Estimar influencia de factores geofisicos en la
dispersion_ terreno, cuerpos de agua, uso del suelo,
etc.).
Planeacion de eventos de liberacion accidental de
sustancias.
Ahorro de costos frente a monitoreo.
Identificar fuentes que aportan contaminantes
Evaluar politicas de gestion de calidad del aire
Predecir efectos de episodios de contaminacion
Investigacion de fenomenos atmosfericos
ERRORES ESPERABLES  ASOCIADOS A LA
INCERTIDUMBRE
• Incertidumbre de la formulación del modelo
• Exactitud en los datos de entrada
La calidad y precision de los resultados son entonces
función de :
• Conveniencia del modelo para la tarea u objetivo
requerido
• Disponibilidad de fuentes de informacion confiables y
exactas
• Disponibilidad de datos meteorologicos exactos.
TIPOS DE MODELOS
METEOROLOGICO
MODELO
EMISIONES
MODELO
QUIMICO
Distribucion espacio-temporal de emisiones
Topografia
Transformacion quimica
Transporte de contaminantes
Equilibrio de partículas y gases
Mezclado vertical
MODELO
DISPERSION
MODELO RECEPTOR
• MODELO DE EMISIONES  Estima distribucion
espaciotemporal de las tasas de emision conbase en:
– Nivel de actividad – Factor de emisión y meteorología
• MODELO METEORLOGICO  Describe el transporte,
dispersion, mezclado vertical y humedad en funcion del
tiempo y la distancia
.
• MODELO QUIMICO  Transformación de las particulas y los
gases emitidos directamente por las fuentes mediante
reacciones quimicas en gases o particulas secundarias,
determinanado tambien el equilibrio de éstas
• MODELO DE DISPERSION  Utiliza las salidas de los
modelos anteriores para estimar las concentraciones
en los sitios denominados como receptores, incluyen la
simulacion matemarica del transporte, dispersion,
mezclado vertical, deposición.
• MODELO DE RECEPTOR Permite inferir las
contribuciones de diferentes fuentes de contaminantes
primarios o precursores, con base en analisis de
multiples monitoreos en uno o mas receptores.
CLASIFICACION DE MODELOS
• En funcion de tiempos de promediacion:
– Short-term– Pocas horas o dias  EPISODIOS
– Long-term – Predecir concentraciones promedio anuales,
estacionales o mensuales;
• En funcion del tipo de contaminante
– Non-reactive (No reactivos)  SO2 and CO
– Reactive (Reactivos)  O3, NO2, etc.
• Clasificados por tipo de sistema de
referencia
– Euleriano (malla)
• Dominio dividido en grilla o mallas
– Trayectoria
• Siguel el movimiento de la pluma
• Clasificacion por nivel de sofisticación
– Screening (Aproximación): Estimación sencilla
de concentracion para peor condicion meteorologica.
– Refinado: Tratamiento mas detallado de la fisica y
quimica atmosferica, requiere informacion de
entrada mas detallada y precisa
MODELOS RECOMENDADOS EPA
FUNDAMENTO DEL MODELO DE DISPERSION
BALANCE DE MATERIA en el interior de un determinado VOLUMEN de
aire:
Salida
Entrada
Creación/
Destrucción
Velocidad de
acumulación
=
Velocidad de
entrada
-
Velocidad
de salida
+
Velocidad de
emision
-
Velocidad de
remoción
Variación (derivada) de la concentración
Via química y/o Fisica
de contaminante con respecto al tiempo
(Deposición)
FASES SISTEMA DE MODELIZACION
FUNDAMENTOS DE LOS MODELOS
APLICADOS A NIVEL REGULATORIO
BOX MODEL / CELDA FIJA / CAJA
Se utilizan para obtener estimaciones de concentración de contaminante para emisiones
difusas o agrupadas, diseminadas en una determinada superficie (Ej. una ciudad o zona de
interés) que conducen a una determinada concentración de equilibrio, Ce, de cada
contaminante
Altura máxima de la caja  Altura capa de mezcla
Entrada de aire
contaminando
(o limpio)
Concentración de fondo, b
Concentración de contaminantes
en el aire urbano, Ce (masa/volumen)
Emisiones difusas
(masa/volumen)
Viento
dominante, u
Ciudad Zona de interés
47
La zona se representa por una caja cuya base es un rectángulo con dimensiones W y L, con
uno de sus lados paralelo a la dirección del viento (normalmente L) y su altura la de la capa de
mezcla, H
Las emisiones se producen con una tasa Q (masa/tiempo) y se mezclan de forma homogénea en
toda la caja, dando una concentración uniforme, Ce
El aire entra a la caja por una de sus caras, con velocidad u y nivel de concentración b (nivel de
fondo) y sale por la cara opuesta, con velocidad u y concentración Ce (nivel de equilibrio)
z
Concentración de
fondo: b
Velocidad del
viento: u
Ce
Q
y
H: Altura de la
Ce
Ciudad
L
(en la dirección
del viento)
capa de mezcla)
W
(Perpendicular a la
dirección del viento)
x
48
SUPOSICIONES DEL BOX MODEL
1. La turbulencia atmosférica produce el mezclado completo y total del
contaminante hasta la altura de mezcla (H) y no hay mezcla por encima de esa
altura por lo que se puede asumir que existe una concentración homogénea, Ce,
que es igual en todo el volumen de aire de la celda (concentración de equilibrio)
2. El viento sopla en la dirección x con velocidad u, constante e independiente del
tiempo, lugar o elevación por encima del suelo
49
3.
La concentración de fondo, b, del contaminante es constante y representa la
aportación del entorno de la celda a la concentración de equilibrio
Se denomina concentración de fondo a la concentración ambiente debida al
aporte de otras fuentes distintas a las analizadas y puede ser fruto del aporte
de fuentes naturales o de otras fuentes que contribuyan a la contaminación
ambiental en la zona de estudio, identificadas o no
4.
La tasa de emisión por unidad de área, q, es constante y no varía con el viento
(se da, por ej., en g s-1 m-2)
5.
No entra o sale ningún contaminante por los lados perpendiculares a la
dirección del viento, ni por el lado superior
6.
El contaminante es estable (no se destruye ni crea en la atmósfera, la única
fuente son las emisiones)
Modelo de celda No estacionaria
Estado no estacionario:
la concentración puede variar
con el tiempo
Concentración z
de fondo: b
C(t)
Q
y

Velocidad
del viento: u
dC
 0  C = C(t)
dt
H
Ciudad
L
W
x
Para cada contaminante, por unidad de tiempo, el balance de materia es:
Cantidad que entra + cantidad que se crea - cantidad que sale = cantidad que se acumula
La solución que se obtiene al resolver la ecuación diferencial que resulta es:
 u 
C(t) = Ce + b - Ce  exp  - t 
 L 
donde Ce es la concentración de equilibrio que se obtendría si el régimen fuese estacionario:
Ce = b +
qL
uH
51
MODELOS DE DISPERSION GAUSSIANOS
• Mas utilizados
• Basados en las suposiciones:
– Dispersion de pluma principalmente  DIFUSION MOLECULAR
– La concentracion vertical y horizontal esta normalmente distribuida
• La forma de la pluma cambia en funcion de las condiciones
meeorologicas
Z
Q
u
Y
H
X
Suposiciones basicas
– Estado estacionario  tasa de emision constante
– Velocidad del viento, direccion y caracteristicas de
difusion de la pluma constantes
– Conservacion de la masa sin considerar
traansformacion quimica
– Velocidades de viento >1 m/s.
– Prediccion de estimaciones a partir de 50m vientos
abajo
 1  y 2  z  H 2 

C  x, y , z  
exp   2 
2


2 y z u
2

z
  y

Q
Clases de estabilidad atmosferica
Table 7.4
7/18/2014
54
Dispersion Coefficients: Horizontal
Dispersion Coefficients: Vertical
ELEVACION DE PLUMA
Los gases de escape turbulentos emitidos, se mezclan con el aire
A esta mezcla en la pluma se le denomina el arrastre, durante el cual la pluma aumenta su
diámetro mientras viaja a sotavento (la parte opuesta a aquella de donde viene el viento con
respecto a un lugar determinado)
Los gases salen de la fuente con una cierta velocidad  penetran en la atmósfera con un
cierto momento cinético ascendente + en general, salen a temperatura más alta que la del aire
externo  son menos densos que el aire exterior  flotan en él
La combinación del momento y la flotabilidad de los gases hace que se eleven (fenómeno
conocido como elevación de la pluma) y permite que los contaminantes emitidos asciendan a
una mayor altura en la atmósfera
Conforme se elevan a la salida de la chimenea, los gases van perdiendo energía cinética y
además su temperatura se iguala con la del aire ambiental por lo que, después de un tiempo,
ya no flotan en él y son arrastrados por la componente horizontal del viento que hace que la
pluma se incline.
5
•A mayor velocidad del viento, más horizontal será el movimiento de la pluma
•La velocidad del viento aumenta con la distancia al suelo por lo que, medida que la pluma se
eleva, los vientos más fuertes hacen que se incline aún más
•Este proceso persiste, en general, hasta que la pluma parece paralela al suelo
•La distancia donde la pluma parece llana puede encontrarse bastante lejos de la chimenea (a
sotavento)
•La elevación de la pluma debida a su flotabilidad es una función de la diferencia de
temperatura entre la pluma y la atmósfera circundante
Atmósfera inestable  la flotabilidad de la pluma aumenta al elevarse  la altura final de
la pluma se incrementa
Atmósfera estable  la flotabilidad de la pluma disminuye a medida que se eleva
Atmósfera neutra  constante
•La pluma pierde flotabilidad a través del mismo mecanismo que la hace serpentear, el viento
La mezcla dentro de la pluma arrastra el aire atmosférico
hacia su interior
A mayor velocidad del viento, más rápida será esta mezcla
PENACHOS DE CHIMENEA
•Penacho de espiral:
condiciones muy inestables
generalmente favorables para la dispersión
•Algunas veces se pueden producir altas
concentraciones momentáneas al nivel del
suelo
•Penacho de abanico:
condiciones estables
•Una inversión impide el movimiento vertical
pero no el horizontal y el penacho se puede
extender varios km a sotavento de la fuente
•Ocurren con frecuencia en las primeras horas
de la mañana (inversión por radiación)
•Penacho de cono:
condiciones neutrales o
ligeramente estables
•probabilidad de producirse entre la
interrupción de una inversión por radiación y el
desarrollo de condiciones diurnas inestables
5
•Penacho de flotación:
Condiciones
inestables por encima de una inversión
•Penacho de fumigación:
Se forma justo
debajo de una capa de inversión y
puede producir una grave situación de
contaminación
6
RELEXION DE GASES
 y 2     z  H 2 
  z  H 2  
C  x, y , z  
exp  2  exp 
  exp 

2
2
2 y z u
2

2

2


y 
z
z


 
  
Q