Modelos de Calidad del Aire: Simulación, Predicción e Impacto Ambiental

Reflexión y Análisis: Partículas 2.5

Efectos en la Biodiversidad

A partir de 10 ug/m3 de partículas 2.5 se generan efectos negativos en la biodiversidad, alterando ciclos…

Efectos en el Ser Humano

Exposiciones a altas concentraciones de partículas 2.5 pueden ocasionar daños internos en el ser humano.

Impacto de la Contaminación Atmosférica

La presencia de contaminantes como CO2, CO, NOx, SOx e hidrocarburos, además de generar olores desagradables, contribuye al calentamiento global y a diversas enfermedades en los seres humanos. También tiene un impacto negativo en la biodiversidad.

Introducción

El modelado de la calidad del aire es una herramienta crucial para simular y predecir los impactos ambientales de diversas fuentes de contaminación, tanto fijas como móviles. Esta herramienta tiene aplicaciones en la evaluación de impacto de la generación de energía, el transporte industrial-urbano y la industria minera.

Aplicaciones de los Modelos de Calidad del Aire

Toma de decisiones para definir la altura de chimeneas.
Diseño e implementación de equipos de control de contaminación del aire.
Evaluación de contaminantes y su influencia en el entorno.
Definición de medidas de gestión ambiental.
Aplicación de marcos regulatorios para establecer límites de emisión de contaminantes.
Evaluación de riesgos para los trabajadores y definición de áreas de influencia de proyectos.

Tipos de Modelos de Calidad del Aire

Modelos Físicos

Representaciones físicas a escala de la dispersión atmosférica. Un ejemplo son las réplicas de chimeneas que generan contaminantes, las cuales permiten visualizar el comportamiento de los contaminantes en un entorno controlado.

Modelos Matemáticos

Simulan los procesos atmosféricos relacionados con la contaminación del aire utilizando ecuaciones matemáticas. Estos modelos se basan en la conservación de masa de cada contaminante y consideran factores como la dispersión atmosférica, el transporte y mezcla de contaminantes, la difusión turbulenta, los movimientos atmosféricos, las reacciones químicas entre contaminantes y las fuentes de emisión.

Fases en el Desarrollo y Aplicación de Modelos Matemáticos en Calidad del Aire

Estudio del sistema: Se analiza el sistema definiendo las variables que determinan su función y los objetivos del modelo.
Conceptualización: Se determinan la importancia, propiedades y tipo de procesos en el sistema. Se definen las variables de entrada, los límites espaciales y temporales del modelo.
Formulación: Se definen matemáticamente las ecuaciones que representan los diferentes procesos.
Programación: Se desarrolla el código informático del modelo, incluyendo la lectura de datos y el control de la impresión de resultados.
Evaluación: Se realizan procesos de calibración y validación para obtener y confirmar coeficientes y parámetros que regulan los procesos físicos y químicos.
Interpretación de resultados: Se analizan los resultados del modelo y se comunican de manera clara y concisa. Esta fase es crucial para la toma de decisiones.

Clasificación de Modelos Matemáticos de Calidad del Aire

Los modelos matemáticos se clasifican según su alcance o escala espacial, escala temporal, tipo de inventario de emisiones y sistema de coordenadas.

Según su Alcance o Escala Espacial

Modelos Street Canyon: Aplicables a una sola calle, considerando la estructura de los edificios aledaños. Útiles en áreas urbanas con espacio reducido.
Modelos Locales: Simulan fenómenos de contaminación en un rango espacial corto. Calculan valores de inmisión para contaminantes primarios.
Modelos de Escala Regional: Alcance de 20 a 500 km en horizontal y de 5 a 10 km en vertical. Consideran las reacciones químicas entre contaminantes.
Modelos de Escala Sinóptica: A partir de 500 km en horizontal y 20 km en altura. Analizan los efectos de deposición y transformación de especies químicas.
Modelos de Escala Global: Abarcan toda la atmósfera terrestre. Ejemplo: acumulación de dióxido de carbono y su efecto invernadero.

Según la Escala Temporal

Modelos Climatológicos: Simulan la contaminación atmosférica crónica durante un año, un semestre o un mes.
Modelos Episódicos: Analizan la contaminación atmosférica aguda o episódica en intervalos de una hora a algunos días.

Según el Sistema de Coordenadas

Modelos Unidimensionales: Asumen viento constante en todo el dominio de aplicación.
Modelos Bidimensionales: El viento depende de la posición, pero no consideran el componente vertical ni los contaminantes dirigidos hacia arriba.
Modelos Tridimensionales: Asociados con modelos meteorológicos de diagnóstico o pronóstico. Calculan campos que consideran los componentes horizontales y verticales del viento.

Según el Tipo de Inventario de Emisiones

Enfoque Top-Down: Calcula las emisiones totales en una región utilizando datos estadísticos. Resulta en un inventario global, preciso e integrado.
Enfoque Bottom-Up: Calcula la contribución de cada celda a las emisiones totales, considerando información detallada como el número de automóviles, vehículos, consumo de combustible y población. Es un enfoque más complejo y requiere mayor cantidad de datos.

Modelos de Dispersión de Contaminantes Atmosféricos

Estos modelos estiman la concentración de un contaminante en la atmósfera basándose en una amplia gama de variables. Las principales variables que influyen en los procesos de dispersión atmosférica son:

Variables meteorológicas (velocidad y dirección del viento, temperatura, humedad, presión atmosférica).
Variables topográficas (elevación del terreno, presencia de obstáculos).
Comportamiento químico del contaminante (reactividad con otros contaminantes).
Variables relativas a la emisión del contaminante (cantidad emitida, posición y altura del foco emisor, tipo de contaminante, temperatura de emisión, velocidad de emisión).

Recopilación de Datos para los Modelos

Para realizar un modelo de dispersión atmosférica se debe recopilar información diversa, como:

Ubicación del punto de emisión.
Cantidad de material emitido.
Tipo de contaminantes.
Condiciones del gas de la chimenea (temperatura, velocidad).
Altura de la chimenea.
Factores meteorológicos (velocidad del viento, temperatura ambiental, presión atmosférica).

Esta información permite estimar la concentración del contaminante a diferentes distancias y direcciones del foco emisor, lo que es esencial para garantizar la fiabilidad y representatividad de los modelos.

Modelo Gaussiano de Dispersión de Contaminantes

El modelo gaussiano es uno de los más utilizados para calcular los efectos de un foco emisor a distancias no demasiado largas. Se basa en la combinación del ascenso vertical de la columna de humo (penacho) y la dispersión horizontal del contaminante.

En función de las condiciones atmosféricas, el penacho puede adoptar diferentes formas:

Penacho espiral: Se forma en condiciones inestables, lo que favorece la dispersión del contaminante.
Penacho de abanico: Se forma en condiciones de estabilidad atmosférica.
Penacho de cono: Se forma en condiciones neutrales o ligeramente estables.

Modelos Estadísticos

Los modelos estadísticos diagnostican la calidad del aire utilizando mediciones obtenidas en una zona geográfica. Calculan relaciones estadísticas entre variables mediante regresiones o análisis espectral.

Conclusión

Los modelos de calidad del aire son herramientas esenciales para comprender y gestionar la contaminación atmosférica. Permiten simular y predecir la dispersión de contaminantes, evaluar el impacto ambiental de diferentes fuentes de emisión y tomar decisiones informadas para mejorar la calidad del aire que respiramos.