En la actualidad, las actividades humanas generan emisiones en estado gaseoso y material particulado el cual es integrado a la atmosfera, siendo este medio de transporte el más susceptible para la dispersión de contaminantes, esto implica la importancia de conocer y saber las escalas espaciales geográficas que son afectadas durante su dispersión. Es importante mencionar que la atmosfera es un fluido dinámico, el cual cuenta con una composición y estructura determinada, de igual forma está compuesta por sistemas atmosféricos, los cuales tienen factores climatológicos como son: velocidad, humedad relativa, presión, temperatura y dirección del viento, la relación de estas variables forman en primera instancia precipitaciones pluviales para dar paso a depresiones y tormentas tropicales llegando a generar tornados o huracanes, dependiendo su ubicación.
Con base al párrafo anterior, Zuk y Garibay definen a los sistemas atmosféricos como las variaciones atmosféricas determinadas por los movimientos globales de las masas de aire, dichos movimientos son clasificados de la siguiente manera: micro escala, mega escala y macro escala; para ello debes leer el tercer capítulo llamado Modelación de la contaminación atmosférica del libro Introducción a la evaluación de los impactos de las termoeléctricas de México de los autores Zuk, Garibay, Iniestra, López, Rojas y Laguna, de la página 45 a la 48. En estas páginas encontraras las escalas de movimientos de los sistemas atmosféricos. Estos movimientos conforman diferentes tipos de climas, como son tormentas, ciclones, precipitación pluvial o estabilidad atmosférica en ciertas regiones, es importante señalar que los sistemas atmosféricos se encuentran íntimamente relacionados al relieve topográfico y geográfico de la escala espacial.
Hablar de contaminantes en sistemas atmosféricos conlleva a tocar el tema de evaluación de calidad del aire, en la cual se compara los Limites Máximo Permisibles (LMP) de contaminantes, con la reglamentación establecida por los organismos gubernamentales de los diferentes países. En general, los avances tecnológicos e industriales han hecho que el aire pierda la calidad, por lo que es necesario estudiar este problema para proponer soluciones.
Para establecer soluciones ante estas problemáticas, es necesario realizar un diagnóstico que indique las concentraciones de los contaminantes con respecto a los receptores, siendo esta el instrumento que brinda la información de los procesos que ocurren en la atmosfera, su dilución, transporte, remoción y transformación química de los contaminantes hasta alcanzar los receptores. Para eso debes leer el capítulo 13 La contaminación del aire, en la sección llamada Predicción de concentraciones de contaminantes en el aire de Glynn y Heinke de las páginas 548 a la 555. Este modelo de dispersión de contaminantes atmosférico menciona que si se adopta un buen número de simplificadores es posible desarrollarse con ecuaciones gaussianas para describir la dispersión del contaminante en la atmosfera.
Dentro de la información requerida se muestra a continuación, algunas variables que son de utilidad para describir los contaminantes atmosféricos:
Datos de fuentes fijas:
· Emisiones de contaminantes kg/h
· Temperaturas de gases ºK, ºF
· Composición de gases ppm, mg/m3
· Diámetros de fuente fija (mts).
· Altura de fuente fija (mts).
· Coordenadas en UTM de fuentes fijas (mts).
· Altura de la pluma (mts).
Condiciones topográficas.
· Relieve de la zona (carta topográfica).
Variables meteorológicas
· Velocidad del viento m/s
· Dirección del viento Grados.
· Temperatura ambiental ºC
· Humedad relativa %
Por otro lado, el flujo energético en la atmosfera y el balance de radiación solar son temas relevantes en el sistema atmosférico. Para ello debes leer el capítulo llamado Radiación que es parte del libro Meteorología y Clima cuyas autoras Casas y Alarcón, presentan una amplia explicación sobre este tema en las páginas 36 a la 39, 43 – 44 y 53 – 56 del documento. Mencionan que la radiación solar directa en los componentes de la atmosfera interfiere en el proceso que influye en el equilibrio del sistema atmosférico. Sobre el flujo energético en la atmosfera y el balance de energía, menciona que un sistema abierto como este se determina por una series de transmisiones de materia y energía y una de las principales fuentes energéticas que recibe la atmosfera es el sol ya que de ella dependen los procesos físicos que permite la vida del planeta, asi como tambien todas las variables climáticas.
La energía del sol es emitida como radiación y se transmite en forma de ondas electromagnéticas que pueden tener longitudes de ondas diferentes; todos los cuerpos con temperatura encima de cero absoluto emiten radiación, se le denomina radiación térmica y es visible al ojo humano en forma de luz. Todo esto lo encontraras de manera completa en este tema que, en resumen, te ayudara a entender el efecto que tiene el sol y los contaminantes sobre la atmosfera y la superficie terrestre.
Como ya se mencionó anteriormente la energía del sol es emitida en radiaciones, ahora el efecto que tiene el sol sobre los contaminantes es a través de los rayos que emite sobre los contaminantes en la atmosfera, esto hace que los contaminantes se propaguen y esto hace visible la relación que existe entre el balance de energía y la dispersión de contaminantes que son las concentraciones de contaminantes en el sistema, en este caso el balance de energía se refiere a la energía que se recibe, que permite la dispersión de contaminantes.
Sin lugar a dudas, muchos de los estudios sobre el sol como fuente alterna para producir energía limpia, son de gran relevancia en la actualidad. Ya que, entre otras cosas proporcionan información sobre el balance de radiación solar, para comprender este tema debes leer detenidamente el primer capítulo de la tesis Estudio del transporte de energía solar concentrada a través de fibras ópticas de Jaramillo Salgado de la UNAM, de la página 16 a la 23, en este encontraras la información sobre radiación, intensidad de radiación, flujo radiactivo y las propiedades de la radiación, donde tambien se describe de manera detallada como calcular la radiación solar en cualquier parte de la Tierra y muestra ecuaciones que permiten obtener valores aproximados acerca de la radiación. Ademas, te ayudara a comprender el significado de la radiación solar y la importancia que tiene en el planeta el flujo energético del sol.
Asi, de esta manera la radiación solar influye cuando se está modelando en una dispersión de contaminantes; la intensidad de radiación, flujo radiactivo y propiedades de la radiación influyen de manera que los agentes contaminantes simples se descomponen y se convierten en compuestos complejos, en otras situaciones hay compuestos que son fotosensibles, es decir que reducen su concentración expuesta a la radiación solar y en ausencia de ella, aumenta la contaminación.
Dentro del estudio del sistema atmosférico, la meteorología se encarga de comprender la dinámica de los fenómenos ambientales que se presentan en la atmosfera; asi como de pronosticar el tiempo en un mediano plazo, a través del análisis de las variables meteorológicas. Tambien ayuda a explicar el impacto de dichas variables con la dispersión de contaminantes atmosféricos, la cual presenta comportamientos como: a mayor velocidad de vientos un mayor rango de afectación en las escalas espaciales, donde se depositan las concentraciones de partículas. En tanto para gases, a mayor velocidad del viento mayor dilución del contaminante y menor rango de afectación. Esto quiere decir, que dependiendo de las variables meteorológicas tales como temperatura, humedad o velocidad del viento, será el comportamiento de la dispersión del contaminante. Todo esto lo comprenderás mejor al leer el tercer capítulo del libro Meteorología y Clima de los autores Casas y Alarcón, publicado en 1999, llamado El movimiento atmosférico, en las páginas 63 a la 69. En este podrás observar el efecto Coriolis, este se produce debido a la rotación de la tierra cuando hace que las corrientes de aire se desvíen a la derecha del hemisferio norte y a la izquierda del hemisferio sur. Tambien influye en la desviación del aire por lo tanto propagara la contaminación con la dirección del viento. En ese sentido, la fuerza generadora es aquella que no depende del movimiento del aire si no de la propiedad física de los cuerpos que lo originan: por ejemplo, la fuerza de la gradiente de presión y la fuerza de gravedad. A través de estos elementos, se mueven los contaminantes en la atmosfera e influyen en la dirección del viento, con mayor fuerza.
Cabe añadir. Que para poder censar los parámetros ambientales meteorológicos, se requiere de equipo especializado que recabe la información en un determinado tiempo, tal es el caso de las estaciones meteorológicas las cuales cuentan con: anemómetros que registran la velocidad, veletas para la dirección del viento, higrómetros para la humedad relativa, termómetros para la temperatura ambiente, entre otras cosas. Todo esto lo encontraras en el cuarto capítulo Fenómenos meteorológicos del libro Meteorología y Clima de los autores Casas y Alarcón, publicado en 1999, revisa de la página 87 a la 90.
Ademas de la meteorología, la contaminación de la atmosfera incluye elementos que pueden ser de origen natural y emisiones de las diversas actividades humanas. Los contaminantes pueden ser compuestos gaseosos, aerosol o material particulado. En los contaminantes gaseosos se encuentran el ozono, óxidos de azufre y nitrógeno. El material particulado se caracteriza por partículas suspendidas totales, partículas suspendidas menores a diez micras y partículas suspendidas con diámetro menor a 2.5 micras. Asi, en las fuentes de emisiones se distinguen dos grandes tipos de fuentes: móviles y fijas.
Las fuentes móviles son los aviones, helicópteros, ferrocarriles, tracto camiones, automóviles y maquinarias no fijas con motores de combustión y similares, que por su operación pueden generar emisiones de contaminación en la atmosfera.
En las fuentes fijas existen tres tipos de fuentes emisoras:
· Fuentes puntuales: sector industrial e institucional que se derivan de la generación de energía eléctrica y de las actividades humanas.
· Fuentes de área: sector comercial y de servicios esto incluyen aquellas emisiones inherentes a actividades y procesos como el consumo de solventes.
· Fuentes naturales: se refiere a la generación de emisiones que se produce por volcanes, océanos, plantas de suspensión de suelos, emisiones por digestión anaerobia y aerobia de sistemas naturales.
La contaminación de la atmosfera es el resultado de la emisión de gases y partículas que se producen de un amplio conjunto de actividades naturales. Sin embargo, la contaminación es tambien producida por las actividades humanas que afectan las vías respiratorias en las personas y animales. El aire que se respira está muy contaminado en muchas zonas, y en algunos casos esto se debe a las grandes potencias de los focos emisores, y en otros a las emisiones que se producen en las aglomeraciones urbanas e industriales donde el hombre desarrolla sus actividades. Para conocer como la chimenea es un elemento emisor en fuentes puntuales debes leer Dispersión de contaminantes atmosféricos del libro de Tratamiento y valoración energética de residuos, publicado en el año 2005 por Xavier Elías Castells de las páginas de 55 – 58. En este documentos podrás observar los mecanismos de dispersión de contaminantes de la atmosfera, asi como tambien modelos de dispersión, este modelo permite relacionar la calidad del aire con la emisora de contaminantes atmosféricos; ya que un modelo de dispersión es una herramienta que facilita observar el comportamiento del contaminante en la atmosfera.
Retomando la fuentes fijas, las chimeneas, son fuentes generadoras puntuales, ya que todo proceso de transformación de materia prima que lleve a cabo la quema de combustibles fósiles en su proceso emite partículas que puede variar de 10 a 2.5 micrones. Las fuentes fijas se definen como la fuente conducida de gases y/o partículas provenientes de un proceso de combustión, por ejemplo, los procesos de molienda o extractores de polvos que forman parte de dichas fuentes fijas y la forma como deben ser tratado adecuadamente se explica en la NOM-085-SEMARNAT-2011 publicada en el Diario Oficial de la Federación de las páginas 12 a la 16, consúltala. En esta norma se menciona que los datos importantes en las fuentes fijas son: la cantidad de humedad de las descargas, la temperatura, la concentración de contaminantes y la velocidad de los gases, todos estos datos son preponderantes para la estimación de la dispersión de contaminantes. Esta norma tambien establece los parámetros de los contaminantes en este caso, las fuentes fijas. Las fuentes puntuales afectan a la atmosfera ya que liberan grandes cantidades de contaminantes que son acumuladas en ella.
Las características de la chimenea afectan a la dispersión del contaminante, porque son utilizadas por la industria para liberar gases, vapores y residuos que la mayoría de las veces son altamente tóxicos y se van concentrando en la atmosfera. Para determinar el impacto de contaminantes que es liberada a la atmosfera por una chimenea se debe conocer la altura de la chimenea, puesto que la altura de la boca de la misma se ubica de acuerdo a la velocidad y dirección que tiene el viento; a partir de ahí, se conoce como se dispersa el contaminante sobre un área geográfica de terminada. Debido a lo anterior, es importante que conozcas que son las fuentes fijas para conocer el medio por el cual se contamina el ambiente; las fuentes fijas son las grandes industrias que emiten contaminantes nocivos para la salud.
Tambien es importante conocer las dispersiones de los contaminantes, para ello debes aprender acerca de los modelos gaussianos, estos son los que se utilizan para estimar la concentración de un contaminante no reactivo producido por una fuente puntual, por ejemplo, la chimenea de una fábrica o el escape de un depósito.
La función de la chimenea es descargar los contaminantes a suficiente altura para que puedan dispersarse en la atmosfera antes de llegar al suelo. Las chimeneas más altas dispersan mejor los contaminantes debido a que estos tienen que viajar a través de una capa atmosférica más profunda antes de llegar al nivel del suelo. A medida que el contaminante viaja, se extiende y dispersa los gases emitidos por las chimeneas formando una estructura gaseosa en forma de abanico llamada penacho o pluma.
La modelización del transporte de contaminantes sirve para la determinación de la variación de la concentración de un contaminante en el espacio y en el tiempo. De esta manera, se puede estimar ciertos parámetros de emisión desde una fuente fija para mantener los limites indicados por la legislación en las zonas al foco emisor, cuando se diseña una chimenea industrial.
De todos los modelos desarrollados uno de los más usados, cuando los contaminantes no son reactivos, es el modelo de dispersión gaussiano. Este modelo parte en varias suposiciones, lo que hace que no sea totalmente preciso:
· La velocidad y dirección del viento entre el foco emisor y el receptor de contaminantes es constante.
· Todo el vertido permanece en la atmosfera, sin reacción alguna, y no existe deposición en forma de lluvia o partículas.
· La dispersión se puede describir por una distribución de Gauss.
Los factores de los que depende la dispersión de contaminantes:
· Naturaleza física y química de la emisión.
· Meteorología de la zona.
· Ubicación y tamaño de la chimenea.
· Características orográficas del terreno.
Ilustración 1. Emisiones de una chimenea.
La ecuación general del modelo de Gauss para la medida de la contaminación en cualquier punto es el siguiente:
Donde:
C = Concentración de contaminante en el punto (x, y, z).
Q = Caudal de emisión del contaminante.
= Son las desviaciones estándar en las direcciones “y” y “z” respectivamente.
u = Velocidad del viento en la boca de la chimenea.
H = Altura efectiva de la chimenea,
Ilustración 2. Cálculo de .
Según los resultados obtenidos del modelo Gaussiano, puedes observar a través de la campana de Gauss, el nivel de contaminante que emite la chimenea, tambien se puede observar la dirección y la velocidad en que se dispersa el contaminante, dependiendo la altura de la chimenea.
Entonces que se puede decir, que la modelación atmosférica es un instrumento que permite comprender y entender lo que ocurre en un sistema en este caso atmosférico; el uso de la modelación es importante para determinar en qué valores se encuentran los contaminantes y de esta manera buscar soluciones para remediar o mitigar el impacto ambiental.
A través de la modelación atmosférica se puede determinar las concentraciones de contaminantes que son emitidos en el aire y para realizar la modelación, se requieren de datos de entradas sobre la situación de emisiones de dichos contaminantes. Dentro de este tipo de modelación, la meteorología juega un papel importante ya que investiga el comportamiento de las grandes masas de aire y analizan factores particulares como la temperatura, presión, humedad, viento o precipitaciones, para poder hacer una previsión del tiempo.
Los factores que dependen de la dispersión de los contaminantes para modelar la concentración de contaminantes en la atmosfera son: la naturaleza física y química del efluente, las condiciones meteorológicas del ambiente, la localización de la chimenea respecto al movimiento del aire, la naturaleza del terreno y el grado de turbulencia en la atmosfera. Pero es importante mencionar que para estos modelos que se aplican en un contaminante atmosférico se requiere usar la formulación matemática respectiva al contaminante. Después de elegir el modelo, con la finalidad de contar con la aproximación de la presencia de la sustancia toxica en el aire, se realiza un análisis del tipo de contaminante y sus características ya sean propiedades físicas y químicas, tambien de la disposición espacial y temporal para los cálculos, la topografía del suelo, la meteorología del lugar, los recursos computacionales y humanos y finalmente del equipo para realizar la modelación.
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