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Ciencia e Ingeniera Ambiental

Tema 3. Dinmica de la atmsfera y dispersin de contaminantes

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Tema 3 Dinmica de la atmsfera y dispersin de contaminantes

1. Estructura y propiedades de la atmsfera

La atmsfera de la Tierra posee una profundidad de unos 1.000 Km y su masa se

estima en 5,1 x 1021 gramos. Se encuentra estratificada en cinco grandes partes:

Troposfera.

Estratosfera.

Mesosfera.

Termosfera.

Exosfera.

Los gases componentes de la atmsfera se encuentran bien mezclados por debajo de

los 90 kilmetros. Entre los 90 y 700 Kilmetros, encontramos una atmsfera de

composicin variable. Por encima de los 700 kilmetros, su composicin es enrarecida

y constituida fundamentalmente por Helio e Hidrgeno.

En la capa lmite planetario (1 Km):



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2. Movimientos horizontales en la atmsfera: vientos

2.1 Definicin

El viento es el flujo de gases a gran escala. En la Tierra, el viento es el movimiento en

masa del aire en la atmsfera en movimiento horizontal. Gnter D. Roth lo define

como la compensacin de las diferencias de presin atmosfrica entre dos puntos..1

La gran capa atmosfrica es atravesada por las radiaciones solares que calientan el

suelo, el cual, a su vez, calienta el aire que lo rodea. As resulta que ste no es

calentado directamente por los rayos solares que lo atraviesan sino, en forma

indirecta, por el calentamiento del suelo y de las superficies acuticas. Cuando el aire

se calienta, tambin se dilata, como cualquier gas, es decir, aumenta de volumen, por

lo cual asciende hasta que su temperatura se iguala con la del aire circundante.

La circulacin global del aire viene dada por: clulas de Hadley.

La clula de Hadley es una clula de circulacin cerrada de la atmsfera terrestre que

domina la circulacin global atmosfrica en las latitudes ecuatoriales y tropicales.

Las clulas de Hadley se extienden desde el Ecuador hasta latitudes de unos 30 en

ambos hemisferios. Este calor es transportado en un movimiento celular con el aire

ascendiendo por conveccin en las regiones ecuatoriales y desplazndose hacia las

latitudes superiores por las capas altas de la atmsfera. El ascenso del aire caliente en

el ecuador est acompaado de la formacin frecuente de tormentas convectivas en la

llamada zona de convergencia intertropical.

Las fuerzas afectan a la direccin o velocidad del viento son:

gradiente de presin

el efecto Coriolis

las fuerzas centrfugas

fuerzas de friccin

vientos locales

Dnde:

Viento geostrfico: corriente resultante de la interaccin del viento de gradiente y la

fuerza aparente de desviacin de Coriolis. Es decir, que la direccin y la intensidad del

viento son consecuencia del equilibrio entre ambas fuerzas generadoras. Considera

que las fuerzas de rozamiento son despreciables.

Vientos geostrficos

Vientos de gradiente



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Vientos de gradiente: se considera que el viento es producto del equilibrio entre

el gradiente de presin, el efecto de Coriolis y la aceleracin centrpeta. Considera que

las fuerzas de rozamiento son despreciables.

Fuerza de Coriolis: La fuerza de Coriolis es una fuerza ficticia que aparece cuando un

cuerpo est en movimiento con respecto a un sistema en rotacin y se describe su

movimiento en ese referencial. La fuerza de Coriolis es diferente de la fuerza

centrfuga. La fuerza de Coriolis siempre es perpendicular a la direccin del eje de

rotacin del sistema y a la direccin del movimiento del cuerpo vista desde el sistema

en rotacin. La fuerza de Coriolis tiene dos componentes:

Componente tangencial

Componente radial

Dnde:

m = masa del cuerpo

v: velocidad del cuerpo en sistema de rotacin

w: velocidad angular



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2.2 Vientos locales

Pueden tener un peso mayor que los componentes globales y son los que se forman

debido a:

Brisas de mar y tierra

Gradientes de valle y montaa

Circulacin urbana = islas de calor

3. Movimientos verticales en la atmsfera: concepto de estabilidad

atmosfrica

El grado de estabilidad atmosfrica se determina a partir de la diferencia de

temperatura entre una porcin de aire y el aire circundante. Este contraste puede

causar el movimiento vertical de la porcin (esto es, su elevacin o cada). Este

movimiento se caracteriza por cuatro condiciones bsicas que describen la estabilidad

general de la atmsfera. En condiciones estables, el movimiento vertical se inhibe,

mientras que en condiciones inestables la porcin de aire tiende a moverse

continuamente hacia arriba o hacia abajo. Las condiciones neutrales no propician ni

inhiben el movimiento del aire despus del gradiente de calentamiento o enfriamiento

adiabtico. Cuando las condiciones son extremadamente estables, el aire fro cercano

a la superficie es entrampado por una capa de aire clido sobre este. Esta condicin,

denominada inversin, prcticamente impide la circulacin vertical del aire. Estas

condiciones estn directamente relacionadas con las concentraciones de

contaminantes en el aire ambiental.

3.1 Modelizacin: gradiente adiabtico seco

El gradiente vertical adiabtico seco es fijo, totalmente independiente de la

temperatura del aire ambiental. Siempre que una porcin de aire seco ascienda en la

atmsfera, se enfriar en el gradiente de 9,8 C/1.000 m, independientemente de cul

haya sido su temperatura inicial o la del aire circundante.



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Un diagrama adiabtico simple demuestra la relacin entre la elevacin y la

temperatura. En la siguiente figura, las lneas punteadas indican el gradiente vertical

adiabtico seco con diversas temperaturas al inicio y a lo largo del eje horizontal. Se

debe recordar que la pendiente de la lnea permanece constante, independientemente

de su temperatura inicial en el diagrama.

Los procesos de cambio de volumen de una masa de aire para conseguir el equilibrio

mecnico con los alrededores pueden considerarse adiabticos, ya que la dinmica de

los procesos de compresin/expansin es rdenes de magnitud ms rpida que el

intercambio de calor con los alrededores

Atmsfera neutra (adiabtica)



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Atmsfera inestable (superadiabtica)

Una porcin de aire que empieza a elevarse se enfriar en el gradiente adiabtico seco

hasta que alcance su punto de roco, en el que se enfriar en el gradiente adiabtico

hmedo. Esto supone que la atmsfera circundante tiene un gradiente vertical mayor

que el gradiente vertical adiabtico (con un enfriamiento a ms de 9,8 C/1.000 m), de

modo que la porcin que se eleva seguir siendo ms clida que el aire circundante.

Este es un gradiente superadiabtico. Como se indica en la siguiente figura, la

diferencia de temperatura entre el verdadero gradiente vertical de temperatura del

ambiente y el gradiente vertical adiabtico seco en realidad aumenta con la altura, al

igual que la flotabilidad.



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Atmsfera estable (subadiabtica)

Cuando el gradiente vertical ambiental es menor que el gradiente vertical adiabtico

(se enfra a menos de 9,8 C/1.000 m), el aire es estable y resiste la circulacin vertical.

Este es un gradiente vertical subadiabtico. El aire que se eleva verticalmente

permanecer ms fro y, por lo tanto, ms denso que el aire circundante. Una vez que

se retira la fuerza de elevacin, el aire que se elev regresar a su posicin original

(figura 4-10). Las condiciones estables se producen durante la noche, cuando el viento

es escaso o nulo.

3.2 Fenmenos de inversin

Una inversin se produce cuando la temperatura del aire aumenta con la altura. Esta

situacin es muy comn pero generalmente est confinada a una capa relativamente

superficial.

Inversin de superficie

Inversin por radiacin: se produce con el enfriamiento acelerado de la

superficie terrestre. A medida que la Tierra se enfra, la capa de aire cercana a

la superficie tambin lo hace. Si este aire se enfra a una temperatura menor

que la del aire de la capa superior, se vuelve muy estable y la capa de aire

clido impide cualquier movimiento vertical.

Inversin advectiva: estn relacionadas con el flujo horizontal del aire clido.

Cuando este se mueve sobre una superficie fra, los procesos de conduccin y

conveccin enfran el aire ms cercano a la superficie y conducen a una

inversin basada en la superficie



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Inversiones en altura

Inversin por subsidiencia: generalmente est asociada con los anticiclones

(sistemas de alta presin). Se debe recordar que el aire de un anticicln

desciende y fluye hacia afuera con una rotacin que sigue la direccin de las

agujas del reloj. A medida que el aire desciende, la mayor presin existente en

altitudes menores locomprime y calienta en el gradiente vertical adiabtico

seco. Por lo general, este calentamiento se produce en un gradiente ms

acelerado que el gradiente vertical ambiental

Inversin frontal: nversin relacionada tanto con los frentes fros como con los

clidos. En el avance de cada frente, el aire clido desplaza al fro, de modo que

se produce una circulacin vertical mnima en la capa de aire fro ms cercana a

la superficie.

Inversin advectiva

3.3 Clasificacin prctica de los tipos de estabilidad: Categoras de Pasquil



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4. Dispersin de los contaminantes en la tmsfera

4.1 Modelos de dispersin: penachos

4.2 Factores que afectan a la dispersin de los contaminantes

La dispersin depende de:

Caudal de contaminante emitido

Altura

Condiciones de temperatua y viento

Velocidad de los gases en chimenea

Temperatura de los gases

4.3. Diseos de chimeneas

Se pueden disear a partir de:

Frmulas

Modelos de dispersin

De caja fija (solo efecto del caudal emitido sobre el nivel de inmisin)

Modelos gaussianos

Vamos a proceder a explicar cada uno de los dos modelos de dispersin



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4.3.1 Modelo de caja fija

Plantea el balance de materia a un elemento de control

Es una sistemtica sencilla y tilpara dar resultadosaproximados

Puede prever efectos aditivos

No es til para el diseo dechimeneas (slo permite estudiar el caudal emitido)

Las suposiciones del modelo son problemticas (grado de

mezcla, uniformidad, altura)

4.3.1 Penacho gaussiano

ste modelo parte de varias suposiciones, lo que hace que no sea totalmente preciso:

La velocidad y direccin del viento entre el foco emisor y el receptor de

contaminantes es constante.

Todo el vertido permanece en la atmsfera, sin reaccin alguna, y no existe

deposicin en forma de lluvia o partculas.

La dispersin se puede describir por una distribucin de Gauss.

Factores de los que depende la dispersin de contaminantes:

Naturaleza fsica y qumica de la emisin.

Meteorologa de la zona

Ubicacin y tamao de la chimenea.

Caractersticas orogrficas del terreno.



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La formulacin matemtica para el caso en el cual los contaminantes emanan a la

altura de la chimenea y sin efecto de reflexin del suelo es:

Una modificacin a la ecuacin anterior se refiere a la consideracin de que el

contaminante se reflejar a partir de una cierta distancia x, al dispersarse a la

atmsfera desde el nivel del suelo, lo que implica a su vez que el suelo no es sumidero

para dicho contaminante. Se refleja matemticamente de la siguiente manera:

Dnde:

C: concentracin de contaminante en el punto (x,y,z) Q: caudal de emisin del contaminante

y z : desviaciones estndar en las direcciones y y z respectivamente u: velocidad del viento en la boca de la chimenea H: altura efectica de la chimenea



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Velocidad del viento:

Estabilidad atmosfrica:



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Coeficientes de dispersin:

Se pueden determinar a partir de:

Nomogramas:

Correlaciones (Delance O.Martin)

Las constantes a, c, d y f estn en funcin de la clave de categora de estabilidad

(Pasquil) y b siempre toma el valor de 0.894, as mismo x es la distancia al eje y debe

de estar en kilmetros.



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Concentraciones mximas a nivel del suelo

4.3.2 Modificaciones del modelo bsico del penacho gaussiano

Efecto del suelo descrito mediante la teora especular (ya explicado en la Pg.

11). Recordamos la expresin:

Capas de inversin:

En superficie: categora F

En altura: teora especular

Efectos no conservativos (partculas); Ecuacin de Bonsaquet

Efectos topogrficos

Efectos de edificios

Efectos de baado

Efectos de apantallamiento

Efcetos aditivos (superposicin de penachos, emisiones lineales)



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4.3.3 Penacho gaussiano con inversin en altura

Si una cooriente de aire ascendente desde una capa atmosfrica inestable o neutra se

encuentra con una inversin, no tiene ms remedio que seguir ascendiendo.

XL = distancia en la direccin del viento donde la columna interacta primero con la

capa de inversin.

Para x



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4.3.4 Emisiones lineales

Se clasifican en:

Emisiones de fuentes mviles

Columnas de chimeneas

4.3.5. Emisiones instantneas (nube)

4.3.6 Emisin de flotacin negativa



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5. Evaluacin de la sobreelevacin del penacho

Hace referencia a la altura que suben los gases a la salida de chimenea sin sufrir

fenmenos de dispersin apreciables. Depender tanto de las caractersticas de la

corriente emitida como de las condiciones atmosfricas.

Para su determinacin tenemos dos metodologas:

Frmulas generales: Ecuacin de Holland

(La presin tiene que estar en milibares)

En dnde:



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Frmulas especficas: Ecuacin de Brigss

Categoras E y F (estabilidad)

Categoras A-D (inestable)

Otra forma para la ecuacin de Briggs:



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6.Programas de simulacin

Alguno de los programas de simulacin se recogen en la siguiente tabla:

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