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DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES
1. Introducción
2. Viento
3. Gradiente vertical de temperaturas
4. Difusión de contaminantes de chimenea: Modelo Gaussiano
5. Factores Topográficos
1. Introducción
Una vez que los contaminantes se emiten a la atmósfera tiene lugar su DISPERSIÓN, hecho que
influye de forma decisiva en los niveles de INMISIÓN y por tanto en el grado de contaminación a que
se ve sometido un punto geográfico determinado.
Desde el mismo momento en que se produce la emisión de un contaminante, su forma de dispersión
viene gobernada por la dinámica del medio que lo acoge. Los procesos meteorológicos son tan
importantes en la dispersión de contaminantes que no existe una relación directa entre la cantidad
total de emisiones en una zona determinada y los niveles de inmisión registrados: con emisiones
relativamente bajas en zonas de topografía compleja, y con unas condiciones de ventilación pobres,
la acumulación contaminantes primarios de un día para otro y la generación de contaminantes
secundarios, puede llevar a niveles de inmisión mucho mayores que en situaciones de muy buena
ventilación (meteorología favorable), aún cuando las emisiones totales sean superiores.
En general, la presencia de una situación meteorológica anticiclónica es más desfavorable que la de
una zona de bajas presiones, tal y como se veremos más adelante. Pero además de estos procesos
de gran escala (meteorología sinóptica), existen aspectos de meteorología local, es decir de una
escala inferior, que son fundamentales a la hora de entender la dispersión de contaminantes en la
atmósfera.
Si se quiere estimar los niveles de inmisión que existirán en un punto concreto se puede recurrir a
modelos físico-matemáticos (de mayor o menor complejidad) de difusión que permitan preverlos.
Estos modelos resultan útiles para muchas situaciones, como por ejemplo: evaluaciones de impacto
ambiental, optimización de la altura de chimeneas, diseño de redes de vigilancia de la calidad del
aire, etc. En nuestro caso, vamos a estudiar los factores que afectan a la difusión de contaminantes
desde un punto de vista únicamente cualitativo.
Las emisiones de contaminantes son de interés a tres escalas:
•
Microescala: del orden de kms. Tienen lugar durante minutos y horas (penachos de chimeneas).
•
Mesoescala: del orden de 100 km. Tienen lugar durante horas y días (vientos montaña valle).
•
Macroescala: del orden de miles de km. Tienen lugar durante días y semanas (altas/bajas
presiones sobre océanos o continentes). Ejemplos:
−
Explosión nuclear de Chernobyl en 1986: El penacho en una microescala afectó muy
seriamente a la región local en sólo unas horas después de la emisión, mientras que las
montañas de Gales se vieron afectadas por deposiciones húmedas después de cuatro días.
−
Bhopal (India, 1984): Hubo una fuga de 40 toneladas de un gas tóxico (isocianato de metilo,
compuesto intermedio en la formación del pesticida Savin). Se vieron afectadas unas 500.000
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personas y se produjeron 2500 muertes directas por envenenamiento.
−
Córdoba (Veracruz, México, 1991): Hubo un incendio que emitió a la atmósfera, entre otros,
3.000 litros de 2,4 D (ácido 2,4-dichlorofenoxiacético), herbicida y uno de los ingredientes del
agente naranja empleado en Vietnam (defoliante).
Para explicar la difusión de contaminantes siempre se deben analizar aspectos referentes a las
características del medio emisor, del medio receptor y del medio difusor:
Medio emisor:
• Es importante conocer el tipo de foco emisor: puntual, superficial, lineal.
• Datos representativos de los focos de emisión.
• Otras variables como la temperatura de salida del gas, caudal de emisión, velocidad de salida
de gas, etc.
Medio receptor:
• Conocer el entorno a estudiar. Por ejemplo, la altura a la que se produce la emisión
(chimenea).
• Es importante conocer la existencia de áreas de sensibilidad especial, pues en ocasiones están
sometidas a exigencias de calidad del aire más restrictivas.
Medio difusor:
• Es decir, la atmósfera en la que se realizan las emisiones.
• Deben estudiarse las variables que permitan definir la capacidad de dispersión de los
contaminantes: movimiento vertical y horizontal de las capas de aire (factores climáticos y
geográficos).
2. Viento
Parámetro meteorológico de gran importancia para la difusión de contaminantes. Tienen gran
influencia sobre los penachos como se aprecia en la Figura 1. Las variaciones de intensidad y
dirección del viento afectan en gran medida a la dispersión.
La velocidad del viento se ve afectada por factores naturales (orografía, Tª, vegetación, estación del
año, ...) y artificiales (construcciones, edificios, ...).
Figura 1. Influencia del viento en la formación de penachos: (izda) penacho formando un ángulo de
90º con el eje de la chimenea, (dcha) penacho alineado con el eje de la chimenea
La velocidad del viento se modifica con la altura. La variación de la velocidad del viento con la altura
suele describirse por medio de la ecuación exponencial (Ley de Hellmann):
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α
⎛ H ⎞
v
= ⎜ ⎟
v0
⎝ H0 ⎠
v: velocidad a una altura H
v0: velocidad a una altura H0 (referida a 10 m)
α : coeficiente de fricción (exponente de Hellmann)
En la Figura 2, se representa la variación de la velocidad del viento con la altura (Ley de Hellmann).
Figura 2. Variación de la velocidad del viento con la altura según la Ley de Hellman
3. Gradiente vertical de temperaturas
Se define como la variación de la T a medida que se va ascendiendo (gradiente térmico). Se mide
con un globo sonda equipado con un termómetro. Es muy importante para la dispersión de los
contaminantes. Normalmente, la Tª del aire disminuye con la altura, de tal manera que en una
atmósfera normal hay una disminución de 1ºC (aproximadamente) por cada 100 metros en altitud.
El gradiente de T de referencia con el que se compara cualquier gradiente de Tª ambiental es el
gradiente de T seca adiabática (GTSA). Bajo condiciones adiabáticas, un volumen templado de aire
ascendente se comporta como un globo lleno de un gas ideal. En su ascenso se expandirá
adiabáticamente (enfriándose) hasta que su densidad se iguale con la del aire que le rodea.
En la Figura 3 se representa la clase de estabilidad atmosférica para distintos gradientes de
temperaturas. El caso (a) la línea discontinua corresponde con la adiabática seca y la línea continua
describe el perfil de temperaturas que corresponde a una atmósfera estable. Si la burbuja o globo de
aire templado asciende (siguiendo la línea adiabática), su temperatura terminaría siendo menor que la
de su entorno (mayor densidad) y, por tanto, se hundiría hacia el punto A de nuevo por ser más
densa que aquél. En este mismo caso, si la burbuja descendiese su temperatura sería más alta que
la de su entorno (menor densidad) y tendería, por tanto, a recuperar su posición A, al poseer una
densidad menor que el aire circundante. Estamos entonces ante un perfil vertical estable en el que
se tienden a inhibir los movimientos verticales del aire.
En el caso (b) estamos ante una situación inestable. En el caso (b), siguiendo los mismos
razonamientos anteriores observamos que el resultado es una amplificación de los movimientos
verticales de la burbuja o globo por encontrarse ésta más ligera (arriba) y más densa (abajo) que el
aire que le circunda. Las condiciones de fuerte inestabilidad son las causantes de fuertes ráfagas
ascendentes de aire en las que condensa el vapor de agua dando lugar a la formación de gotas de
agua que pueden alcanzar un tamaño tal que terminan por precipitar en forma de lluvia.
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Si el perfil real de la atmósfera coincide con la adiabática de temperatura estamos ante un perfil
neutro, D.
Pero bajo determinadas condiciones orográficas y climatológicas este gradiente puede alterarse de
manera que el gradiente térmico aumente con la altura (gradiente real positivo). Se produce una
Inversión Térmica, Figura 3. Esta situación es de máxima estabilidad.
Figura 3. Perfiles de temperatura en la atmósfera
Las causas que determinan la aparición de una inversión térmica son diversas, pero normalmente
son causadas por uno de los siguientes procesos:
a) Superposición de masas de aire que se encuentran a diferentes temperaturas. Un ejemplo
característico es el paso de un frente frío o cálido.
b) Alteración de una masa de aire que originalmente era homogénea, modificándose la
estructura vertical de los niveles bajos de la atmósfera. Este caso es debido principalmente al
enfriamiento de la superficie de la tierra durante la noche.
En la Figura 4 se muestra la manera en que el gradiente de temperaturas con la altitud afecta a la
dispersión de los penachos de chimenea, según que haya una situación de inestablidad, neutralidad
(adiabática) o inversión térmica (también Figura 5).
En la Figura 6 se ve la dispersión vertical de los penachos con y sin inversión térmica en altura.
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Figura 4. Penachos de chimeneas para diferentes clases de estabilidad. (a) inestable, (b) neutra, (c)
estable (inversión térmica).
Figura 5. Penacho con inversión térmica
Figura 6. Dispersión vertical de los penachos sin y con inversión térmica en altura.
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Figura 7. Penachos de chimeneas para diferentes clases de estabilidad. (a) inversión térmica por
debajo, neutra por encima, (b) inversión térmica por arriba, neutra hacia abajo, (c) inversión por
arriba, neutra hacia abajo, y el penacho fumiga el suelo.
5. Difusión de contaminantes de chimenea: Modelo Gaussiano
Nos preguntamos ahora: ¿Cómo se comportan los contaminantes una vez que se han emitido?
¿Cómo evolucionan los penachos con el tiempo? ¿Cómo podemos predecir sus concentraciones en
la atmósfera y a nivel de suelo? Para responder a estas cuestiones se han desarrollado modelos
informáticos que utilizan datos tales como la predicción de emisiones, altura de las chimeneas, datos
de viento, temperatura ambiente, insolación, características del terreno local, …
En cualquier programa informático que trate de relacionar las emisiones con la calidad del aire figura
la suposición de que la concentración media de contaminantes de una fuente en la dirección del
viento, puede modelarse utilizando una curva de distribución gaussiana.
El modelo básico de dispersión de Gauss se aplica a una fuente puntual, como por ejemplo una
chimenea, aunque también se puede aplicar a una fuente lineal como es una autopista o a fuentes
dispersas (superficie) como un vertedero.
Si observáramos la columna de humo (penacho) en un momento dado tendría una forma irregular,
pero si ponemos una cámara con el obturador abierto durante un tiempo, la imagen promedio del
humo sería similar a la que muestra la figura 8:
Figura 8. Penacho de chimenea (Fuente: Master y Ela, 2008. Pearson Prentice Hall)
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Como las emisiones de humo tienen velocidad inicial y flotabilidad, la línea central (eje de simetría) se
establecería por encima de la altura de la chimenea:
H = h + Δh
La concentración de contaminantes se hallaría en torno a ese eje de simetría, con concentraciones
decrecientes a medida que nos alejáramos de éste.
El modelo de Gauss supone que la concentración de contaminantes obedece a una distribución
gaussiana en torno a ese eje, tanto en el plano vertical, como en el plano horizontal. Ver figura
siguiente, Figura 9:
Figura 9. Penacho de chimenea y distribución gaussiana de contaminante (Fuente: Master y Ela,
2008. Pearson Prentice Hall)
La ecuación de dispersión se obtiene a partir de consideraciones básicas como la difusión gaseosa
en el espacio tridimensional. En el análisis matemático se incorporan algunas suposiciones:
• La tasa de emisiones de la fuente es constante.
• La velocidad del viento es constante en el tiempo y con la elevación.
• El contaminante no se descompone ni deposita.
• El terreno es relativamente llano, en campo abierto.
Como nuestro interés se centra en los receptores (personas y ecosistemas) a nivel del suelo, la
ecuación de Gauss simplificada es:
⎡ ⎛ ⎞ 2 ⎤
⎡ 1 ⎛ H ⎞ 2 ⎤
1
y
C( x , y ,0 ) =
exp ⎢− ⎜ ⎟ ⎥ exp ⎢− ⎜⎜ ⎟⎟ ⎥
⎢ 2 ⎜⎝ σ y ⎟⎠ ⎥
πσyσzU
⎢⎣ 2 ⎝ σ z ⎠ ⎥⎦
⎣
⎦
Q
(1)
para el sistema de coordenadas:
x = 0 en el foco emisor (chimenea)
y = 0 en la línea central del penacho
z = 0 en el terreno
•
σy, σz son coeficientes de difusión (m). Se calculan mediante los diagramas de Pasquill-Gifford y
son función de la distancia al foco emisor (variable x)
•
•
•
-1
Q, es la masa de contaminantes emitida por unidad de tiempo (g s ) o caudal de gases emitidos.
U, es la velocidad del viento (m/s).
H, es la altura efectiva del foco > h, altura de la chimenea.
(3)
8
Además, la concentración máxima a nivel del terreno se encuentra en la línea central del penacho, y
= 0, de manera que:
⎡ 1 ⎛ H ⎞ 2 ⎤
C( x ,0 ,0 ) =
exp ⎢− ⎜⎜ ⎟⎟ ⎥
πσyσzU
⎢⎣ 2 ⎝ σ z ⎠ ⎥⎦
Q
(2)
Emisiones a nivel del terreno
La ecuación de difusión (1) en el caso de emisiones a nivel del terreno (H = 0) tales como fuegos,
explosiones, emanaciones gaseosas de vertederos, se convierte en:
⎡ ⎛ ⎞ 2 ⎤
1 y
C( x , y ,0 ) =
exp ⎢− ⎜ ⎟ ⎥
⎢ 2 ⎜⎝ σ y ⎟⎠ ⎥
πσyσzU
⎣
⎦
Q
(3)
Finalmente, la concentración máxima a nivel del suelo a lo largo de la línea central del penacho
donde y = 0 se expresa como:
C( x ,0 ,0 ) =
Q
πσyσzU
(4)
4. Factores Topográficos
Los dos factores que hemos visto, viento y gradiente vertical de temperaturas, contribuyen
respectivamente a la dispersión e contaminantes en sentido horizontal (por fenómenos de
turbulencias) y en sentido vertical (por mecanismos de convección).
Sin embargo, existen multitud de factores topográficos que pueden introducir modificaciones notables
en los movimientos en uno y otro sentido. Entre los más notables podemos citar: a) efecto del mar, b)
montañas-laderas y c) efectos urbanos.
Efecto del mar
La diferente capacidad calorífica de la Tierra y el agua del mar da lugar a un calentamiento distinto
de una y otra. Durante el día, la Tierra se calienta más rápidamente que el mar, lo que origina que la
circulación del viento se produzca desde el mar hacia la Tierra (brisa marina). Durante la noche la
tierra se enfría más rápidamente y el viento circula desde la Tierra hacia el mar. Por tanto, en zonas
costeras es importante determinar estos vientos, pues su persistencia y su carácter de circulación
relativamente cerrado hacen que los contaminantes se dispersen dentro de un volumen de aire
relativamente limitado, Figura 8.
Montañas y laderas
Se produce un efecto similar al de la costa. En las horas centrales del día la cima de la montaña
adquiere una temperatura más elevada que el aire situado a su mismo nivel, lo que ocasiona un
calentamiento del aire en contacto con la montaña, que se eleva, lo que origina una brisa del valle
hacia la montaña. Por la noche, el enfriamiento más rápido de la montaña será la causa de que la
brisa circule en sentido contrario, Figura 8.
Efectos Urbanos
Las ciudades originan las llamadas “islas térmicas”. Por efecto de las calefacciones y la circulación de
vehículos la temperatura urbana es más elevada que la del campo de los alrededores, por tanto el
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aire asciende en el centro de las ciudades y desciende sobre las zonas rurales y los suburbios que
las rodean (Figura 8).
Figura 8. A) Sentido de circulación del viento por efecto de las brisas marinas diurnas y nocturnas. B)
Sentido de circulación del viento por efecto de las brisas de montaña diurnas y nocturnas. C) Sentido
de circulación del viento por efecto de la isla de calor urbana.
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