Simulación numérica de la dispersión y caída de ceniza en Quito

Simulación numérica de la dispersión y caída de ceniza en Quito debido
a la erupción del volcán Reventador durante el 3 de noviembre de 2002
R. Parra
rparra@corpaire.org
Corporación para el mejoramiento del aire de Quito. CORPAIRE
Septiembre de 2009
Antecedentes
CORPAIRE estructura un modelo de simulación de la calidad del aire de Quito, como
herramienta clave para entender el comportamiento de los contaminantes en la atmósfera;
analizar escenarios futuros ante cambios esperados o hipotéticos de los patrones de emisión, y para el pronóstico de la calidad del aire.
En el año 2008 se elaboró el Plan de Contingencias Ante Eventuales Episodios de Contaminación Atmosférica en el Distrito Metropolitano de Quito DMQ (Ecogestión, 2008). Este plan
indica que probablemente se producirán en Quito nuevos episodios críticos de contaminación del aire por erupciones volcánicas, según lo ocurrido en octubre de 1999 con el Guagua
Pichincha y en noviembre de 2002, con el volcán Reventador. Es poco probable que se produzcan episodios críticos por emisiones antropogénicas.
En función de su amenaza, los volcanes con influencia sobre el territorio del DMQ se clasifican en tres grupos:
Volcanes con amenaza alta, aquellos con una recurrencia alta de sus erupciones y
dinamismo eruptivo, que se encuentran a menos de 100 km de distancia de Quito.
Se incluyen al Guagua Pichincha, Reventador y Cotopaxi (Figura 1).
Volcanes con amenaza media, aquellos con actividad explosiva en los últimos 1000
años, que se encuentran a menos de 100 km de distancia. Se incluyen a el Cayambe
y Antisana (Figura 1).
Volcanes con amenaza baja, aquellos con actividad explosiva previa a los 1000 años
y/o ubicados a más de 100 km del DMQ. Se incluyen al Cuicocha, Imbabura, Pululahua, Ninahuilca, Quilotoa y Tungurahua.
El Plan de Contingencias establece que CORPAIRE incorpore a las erupciones volcánicas,
en el pronóstico de calidad del aire del DMQ.
Como primer ejercicio relacionado con este objetivo, se presentan los resultados de la simulación numérica de la dispersión y caída de ceniza volcánica en Quito, debido a la erupción
del volcán Reventador en noviembre de 2002.
Resumen del evento
El volcán Reventador erupcionó el 3 de noviembre de 2002, con poco aviso (Hall et. al,
2004). La erupción principal empezó a las 09h12 hora local, con una columna sostenida que
ascendió hasta los 17 km, con cinco flujos piroclásticos que viajaron hasta 9 km hacia el este.
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Figura 1: Localización de los volcanes con amenazas alta y media para el Distrito Metropolitano de Quito
Cronológicamente y en hora local, los aspectos más relevantes fueron los siguientes (Hall et
al., 2004):
05h30 – 06h00: trabajadores de una construcción cercana reportaron una columna
de vapor de 2 a 3 km de altura, sobre el cráter del volcán.
07h15: la columna de vapor y ceniza alcanzó suficiente altitud (de 3 a 4 km sobre el
cráter) y fue reportada por pilotos de aeronaves comerciales
08h00: testigos reportaron que la columna eruptiva alcanzó de 5 a 6 km de altura sobre el cráter, y empezó a moverse en dirección suroeste
08h03: se tomaron fotografías desde un centro poblado localizado a 15 km al noreste
del volcán, que permiten estimar que la columna alcanzó una altura de 7.3 km sobre
el cráter. En principio consistía principalmente de vapor y un contenido limitado de
ceniza.
08h15: la imagen satelital NOAA GOES de esta hora indicó que la nube volcánica
empezó a desplazarse hacia el sur oeste.
09h12: Se inició la principal erupción. La columna alcanzó una altura de 16 a 17 km.
La parte inferior de la columna eruptiva, con altura menor a 16 km se movió en la dirección oeste suroeste y suroeste, hacia Quito y la zona poblada en el Valle Interandino, con velocidades de 30 a 45 km/h. La nube de ceniza que superó los 16 km de
altura viajó hacia el este.
Medio día: la nube de ceniza empezó a invadir el Valle Interandino , obscureciendo
progresivamente el cielo. Entre las 13h00 y 16h00, una fina ceniza gris empezó a
sedimentar en diferentes áreas del Valle. El cielo de Quito y zonas aledañas se obscureció completamente hacia el final de la tarde, dejando en el suelo una capa de
ceniza con un espesor entre 1 y 5 mm. Ciertos centros poblados mas cercanos al
volcán, fueron cubiertos por una capa de hasta 3 cm de ceniza. Residentes de Quito
y del Valle sintieron un fuerte olor por la presencia tanto de SO2 y H2S.
14h15: se produjo un nuevo pulso de emisión importante
16h15: se produjo un nuevo pulso de emisión importante
17h15: se produjo un nuevo pulso de emisión importante
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Método
La plataforma de cálculo para la simulación numérica se conforma de dos modelos acoplados:
El modelo meteorológico Weather Research & Forecasting WRF3.1.1 (WRF, 2009),
que proporciona los campos de vientos y otras variables meteorológicas.
El modelo de dispersión de cenizas volcánicas Fall3d (Costa et al., 2006; Folch et al.,
2008). Fall3d es un modelo exclusivo para la dispersión de cenizas volcánicas, desarrollado por investigadores del Centro Nacional de Supercomputación de España y
del Instituto Nacional de Geofísica y Vulcanología-Observatorio Vesuviano de Nápoles. Recibe como datos de entrada, los campos de viento y otras variables meteorológicas de algunos modelos meteorológicos, entre los que se incluye al modelo
WRF3.1.1.
Fall3d ha sido proporcionado a CORPAIRE, en el marco del Convenio de Cooperación Técnica Interinstitucional que CORPAIRE mantiene con el Centro Nacional de Supercomputación de España (Barcelona Supercomputing Center BSC).
Dominios de simulación meteorológica
La Figura 2 presenta el dominio maestro y los dos subdominios anidados que se utilizaron
para la simulación meteorológica. El dominio maestro (d01) se conforma de 100 celdas horizontales y 100 celdas verticales, cada una con una longitud de 27 km. El primer subdominio
(d02) se conforma de 76 celdas horizontales y 52 verticales, con longitud de 9 km. El subdominio 3 se conforma de 82 celdas horizontales y 67 verticales, con una longitud de 3 km.
Las condiciones iniciales y de contorno se obtuvieron en base a los resultados globales de
análisis final del National Center for Atmospheric Research (NCAR, 2009).
Figura 2: (a) dominios de simulación: d01 dominio maestro (27 x 27 km), d02 primer subdominio anidado (9 x 9 km), d03 (3 x 3 km), segundo subdominio anidado; (b) detalle de subdominio d03 (82 x 67 celdas)
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El Anexo 1 incluye el contenido del archivo namelist.input, utilizado para la simulación meteorológica.
Parámetros de dispersión de cenizas volcánicas
El Anexo 2 presenta el contenido del archivo Rev2002.inp, utilizado para la simulación de la
dispersión de ceniza volcánica.
Entre los parámetros más importantes se destacan la configuración temporal asumida para
la altura de columna sobre el cráter del volcán (Figura 3). Se asume que la columna alcanzó
los 3000 m desde las 05h00, y fue paulatinamente creciendo, hasta alcanzar los 17000
hacia las 09h00, y se mantuvo con esta altura durante las siguientes horas.
Como opción de tipo de fuente se seleccionó ¨Suzuki¨, mediante la cual el modelo Fall3d estima el caudal de emisión, en base a un ajuste estadístico obtenido de la correlación entre la
altura de la columna y el caudal de cenizas, de aproximadamente 20 erupciones volcánicas
históricas bien estudiadas. Normalmente la altura de la columna es el primer dato que se
conoce o se estima, cuando ocurre una erupción volcánica.
El diámetro medio (50%, porcentaje acumulado en volumen) de la ceniza de la erupción del
Reventador de noviembre de 2002, fue de Ø = 4.5 (44 µm); según se deduce de los datos
reportados por Horwell (2007).
El modelo Fall3d trabaja igualmente con un dominio espacial conformado de 82 celdas horizontales por 67 celdas verticales. La altura del dominio de simulación alcanza los 20000
msnm en capas de 500 m de espesor.
Figura 3: variación temporal de la altura de columna eruptiva asumida para la simulación
numérica de la dispersión de ceniza volcánica del Reventador, del 3 de noviembre de 2002
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La Figura 4 presenta una imagen satelital de Quito, que indica además la localización y nomenclatura de las 9 estaciones que conforman la red automática de calidad del aire.
Figura 4: Imagen satelital de Quito, ubicación y nomenclatura de las 9 estaciones automáticas de calidad del aire. Carapungo (Car), Cotocollao (Cot), Jipijapa (Jip), Belisario (Bel),
Centro (Cen), El Canal (Cam), Guamaní (Gua), Tumbaco (Tum) y Los Chillos
Resultados
Concentración de ceniza volcánica a 5000 msnm
A fin de estimar la hora de llegada de la ceniza volcánica hasta Quito y zonas aledañas, se
utilizan los resultados de la concentración, a 5000 msnm (Figura 5). Hacia las 10h00, hora
local, las concentraciones valores de hasta 0.4 g/m3 a la izquierda del punto de emplazamiento del cráter. Para las 14h00, los resultados indican el arribo de la nube de ceniza volcánica hasta Quito y zonas aledañas.
Distribución espacial de caída de ceniza
La Figura 6 presenta el espesor de ceniza volcánica (cm), que empieza a sedimentar hacia
las 16h00 en las zonas aledañas al este de Quito. Hacia las 24h00, se forma una capa de
ceniza con espesores que varían entre 1 y 5 mm (Figura 7).
Se destacar el alto nivel de sensibilidad del espesor de ceniza que se deposita en el suelo,
ante cambios mínimos en los parámetros de entrada, como la granulometría.
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10h00
11h00
12h00
13h00
14h00
15h00
Figura 5: concentración de ceniza volcánica (g/m3) a una altura de 5000 msnm, producida
por la erupción del volcán Reventador el 3 de noviembre del 2002. La nube de ceniza a esta
altura llega a Quito y zonas aledañas de los valles, hacia las 14h00
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10h00
12h00
14h00
16h00
18h00
24h00
Figura 6: espesor de ceniza volcánica depositada (cm) por la erupción del volcán Reventador, el 3 de noviembre del 2002. La ceniza empieza a sedimentar hacia las 16h00 en las zonas aledañas al este de Quito.
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24h00
Figura 7: espesor de ceniza volcánica depositada (cm) por la erupción del volcán Reventador, el 3 de noviembre del 2002. Hacia las 24h00, en Quito y zonas aledañas, se forma una
capa de ceniza con espesores que varían entre 1 y 5 mm
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Nubes de ceniza a diferentes alturas
A fin de establecer una comparación cualitativa sobre la formación de nubes de ceniza a diferentes alturas, las Figuras 8, 9 y 10 presentan bosquejos en tiempo universal coordinado
(UTC), según las estimaciones hechas con imágenes del satélite meteorológico GOES-8
(NOAA, 2009); y los correspondientes resultados de los modelos WRF3.1.1 - Fall3d, en hora
local.
Hacia las 09h00 locales y para una altura de 6000 msnm (que corresponde aproximadamente a una altura de vuelo de 20000 pies, Flight Level 200 FL200)(Figura 8), el bosquejo partir
de la imagen GOES-8 indica que la pluma se mueve hacia el oeste y suroeste, en tanto que
el resultado del modelo indica un movimiento hacia el oeste.
Hacia las 14h00 hora local, para una altura de 10500 msnm (que corresponde aproximadamente FL350)(Figura 9), el bosquejo de la imagen GOES-8 indica que la pluma se mueve
hacia el oeste y suroeste, en tanto que el resultado del modelo indica un movimiento al oeste y oeste suroeste, pero con una cobertura espacial menor hacia el suroeste. Para una altura de 17000 msnm (aproximadamente FL550), los dos resultados presentan un movimiento
de la pluma hacia el oeste y suroeste.
Hacia las 23h00 hora local, para una altura de 10500 msnm (FL350)(Figura 10), el bosquejo
de la imagen GOES-8 indica que la pluma se mueve hacia el suroeste, al igual que el resultado del modelo. Para una altura de 17000 msnm (aproximadamente FL550), los dos resultados presentan un movimiento de la pluma hacia el este, aunque el resultado del modelo
presenta menos dispersión horizontal.
Concentraciones de PM10
Las concentraciones de PM10 en Quito, superaron el nivel de emergencia establecido en la
legislación nacional (500 µg/m3 promedio en 24 horas)(Figura 11)(Ecogestión, 2009).
No obstante, con las parametrizaciones que se indica en los anexos 1 y 2, los modelos
WRF3.1.1 – Fall3d, no capturaron adecuadamente las concentraciones de PM10 en superficie.
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Altura 6000 msnm (aprox. FL200).
Figuras 8: estimación de la forma de la nube de ceniza volcánica a una altura de 6000 msnm
(aprox. FL200), para las 14h00 UTM; 09h00, hora local
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Altura 10500 msnm (aprox. FL350)
Altura 17000 msnm (aprox. FL550)
Figuras 9: estimación de la forma de la nube de ceniza volcánica alturas de 10500 (aprox.
FL350) y 17500 msnm (aprox. FL550), para las 19h00 UTM; 14h00, hora local
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Altura 10500 msnm (aprox. FL350)
Altura 17000 msnm (aprox. FL550)
Figuras 10: estimación de la forma de la nube de ceniza volcánica alturas de 10500 (aprox.
FL350) y 17500 msnm (aprox. FL550), para las 23h00 UTM; 18h00, hora local
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Figuras 11: concentraciones de PM10 en 24 horas medidas en la estación Belisario. Periodo
1998 – 2003 (Ecogestión, 2009)
Conclusiones
Los modelos acoplados WRF3.1.1 – Fall3d proporcionaron resultados coherentes, en relación al tiempo de llegada de la nube de ceniza volcánica a Quito y zonas aledañas; y de la
distribución y espesor del depósito de ceniza volcánica en el suelo.
Los resultados de la simulación presentaron cierto nivel de coherencia en relación a la forma
y dirección que toma la nube de ceniza volcánica a diferente altura, en comparación con los
bosquejos elaborados en base a las imágenes satélite GOES-8.
En la presente simulación no ha sido posible reproducir numéricamente los niveles de PM10
sobre la ciudad de Quito, que se le atribuye a la erupción del volcán Reventador, durante el
3 de noviembre de 2002.
Agradecimientos
Al Dr. Arnau Folch, del Centro Nacional de Supercomputación de España, coautor del modelo numérico Fall3d. Por su contribución y apoyo técnico para el uso de Fall3d en el Distrito
Metropolitano de Quito.
Al Dr. José María Baldasano, Director del Departamento de Ciencias de la Tierra, del Centro
Nacional de Supercomputación de España (Barcelona Supercomputing Center BSC); por el
apoyo institucional brindado , en el marco del Convenio de Cooperación Técnica Interinstitucional entre el BSC y CORPAIRE.
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Referencias
Costa , A., Macedonio, G. and Folch, A. A three dimensional Eulerian model for transport
and deposition of volcanic ashes, Earth Planet. Sci. Lett., 241, 634-647, 2006.
Folch, A., Costa, A. and Macedonio, G. FALL3D: a computational model for transport and
deposition of volcanic ash, Comp. Geosci., in press, 2008.
Hall, M., Ramón, P., Mothes, P., LePennec2, J.L., García, A., Samaniego, P. and Yepes, H.
Volcanic eruptions with little warning: the case of Volcán Reventador's Surprise November 3, 2002 Eruption, Ecuador. Rev. geol. Chile, Dec 2004, vol.31, no.2, p.349-358. ISSN
0716-0208
Horwell, C.J. 2007. Grain size analisys of volcanic ash for the rapid assessment of respiratory health harzard. J. Environ. Monitor. 9, 1107 – 1115
Ecogestión. 2008. Plan de Contingencias ante Eventuales Episodios de Contaminación Atmosférica en el Distrito Metropolitano de Quito. Dirección Metropolitana Ambiental. Quito.
Ecuador
NCAR. National Center for Atmospheric Research. (www.mmm. ucar.edu). Acceso, julio de
2009
NOAA. 2009. NOAA Satelite and Information Service. (www.ssd.noaa.gov). Acceso: agosto
de 2009
WRF. 2009. The Weather Research & Frecasting Model. (www.wrf-model.org/index.php).
Acceso: agosto de 2009
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