INTRODUCCION

Universidad de La Guajira. Programa: Ingeniera IndustrialAsignatura: Preservacin y Evaluacin de Impacto Ambiental

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1. GENERALIDADES AL PROBLEMA DE LA CONTAMINACION ATMOSFERICA.

1.1 ENERGA DE LA ATMSFERA.

El movimiento del aire, su calentamiento, la evaporacin del agua, descargas elctricas, el cicln tropical etc., son fenmenos que no existieran sin aporte y gasto de energa continua. Prcticamente toda la energa gastada en los procesos atmosfricos deriva desde el sol. Esta transferencia de energa desde el sol hacia la tierra y la atmsfera es por radiacin de calor por ondas electromagnticas. La radiacin desde el sol tiene su pico de transmisin de energa en el rango visible (0.4 a 0.7 micrmetros) del espectro electromagntico, as como tambin en las regiones ultravioleta e infrarroja. La mayor parte de la energa proveniente del sol, es emitida como longitud de onda entre 0.1 y 30 micrmetros, algunas de estas radiaciones son reflejada por las nubes, el suelo y el agua en la superficie de la tierra. 1.2 AIRE

Terica: Fluido continuo, compresible e ideal.

Cuantitativa: Muchas veces no se cuenta con una definicin clara para aire limpio. La composicin del aire vara en cierta forma con las condiciones locales; sin embargo, las concentraciones promedio de sus componentes pueden ser aceptablemente definidas. La importancia del aire puede muy difcilmente ser sobreenfatizada. El aire cumple tantas funciones que sera prcticamente imposible cubrirlas todas; algunas de las ms importantes son:

Almacenador/transportador de oxigeno.

Transportador de los productos de desechos de las reacciones qumicas que tienen lugar en nuestro espacio y de otros desechos inyectados directamente.

Transportador de sonido y luz.

Absorbedor de las mayoras de las radiaciones peligrosas que de otra manera alcanzaran la tierra (corpuscular y electromagntica).

1.3 CONTAMINACION DEL AIRE

El problema de la contaminacin atmosfrica tiene su origen en la antigedad. Se inici como una serie de fenmenos naturales, principalmente en las erupciones de volcanes, cuyas emisiones contenan grandes cantidades concentraciones de dixido de azufre (SO2), sulfuro de hidrgeno (H2S), material particulado y xidos de nitrgenos (NOx), (Seinfeld, 1978).

Con la aparicin del hombre se da origen a los desechos lquidos, slidos y gaseosos producidos por el metabolismo humano. Estos desechos tienen como receptor final los cuerpos de aguas naturales y la atmsfera, cuya presencia en grandes concentraciones y grandes periodos de tiempo pueden provocar efectos nocivos para la salud humana (Garca, 1978).

El uso de lea y carbn por el hombre como fuentes de energa, increment la cantidad de contaminantes, en especial en la capa atmosfrica donde se desarrolla la vida (biosfera). Pero en aquellos remotos das, las partculas de carbn sin quemar, humos y los gases, se dispersaban y eran arrastrados fcilmente por los vientos. Esto no fue problema serio hasta que el hombre comenz a vivir en pueblos y ciudades y a encender fuegos prximos entre s y al mismo tiempo. Con el desarrollo industrial y el uso del vehculo automotor se ampli la gama de contaminantes, que dadas las condiciones climticas pueden ocasionar problemas ambientales que afectan la calidad de vida en el entorno, tanto para la salud del hombre y animales como tambin daos en las propiedades.

En Colombia las emisiones de contaminantes a la atmsfera han aumentado progresivamente debido a la creciente actividad industrial, a la quema de desechos slidos y la circulacin de automotores. Este desarrollo industrial del pas, ha hecho que se centren estos fenmenos en las ciudades cuyas actividades econmicas dependan del gran uso de energa.

Muchas definiciones sobre contaminacin del aire se han propuesto, de las cuales se consideran las siguientes:

El estado colombiano [Artculo 138 de Decreto 948 de 1995]. Definicin de Contaminacin del aire. De conformidad con el [Artculo 8 literal b) del Decreto Ley 2811 de 1974], entindase por contaminacin del aire la presencia o accin de los contaminantes, en condiciones tales de duracin, concentracin o intensidad, que afecten la vida y la salud humana, animal o vegetal; los bienes materiales del hombre o de la comunidad, o interfieran su bienestar.Seinfeld (1978), la define de manera amplia y clara: "Contaminacin del aire puede definirse como cualquier condicin atmosfrica, en los que ciertas sustancias alcanzan concentraciones lo suficientemente elevadas sobre su nivel ambiental normal, como para producir un efecto mensurable en el hombre, los animales, la vegetacin o los materiales".

Se puede inferir en todas las definiciones que son similares en el hecho de referirse a las condiciones perjudiciales sobre los humanos o sobre sus materiales o en su entorno en general. Los contaminantes del aire pueden ser naturales (humo desde incendios forestales) o antropognicos (hechos por el hombre), en la forma de gases (Tabla 1) o particulado y primarios o secundario.

1.3.1 CLASIFICACION DE LOS CONTAMINANTES DEL AIREUna lista de contaminantes debera abarcar no solamente los casos clsicos de particulado (homo, polvo, neblina...) y gases (SOx, NOx, oxidantes y otros), sino incluir otros que satisfagan la definicin tales como, ruido, calor o fro, niebla, radioactividad, radiacin en exceso (UV, visible y microondas) o simplemente la remocin de un constituyente normal del aire.

Los contaminantes pueden ser clasificados de varias formas que permitan facilidad de referencia. Algunas de ellas son:

1.3.1.1 SEGN SU ESTADO FISICO

CONTAMINANTES GASEOSOS.

En el contexto del control de la contaminacin atmosfrica, los contaminantes gaseosos incluyen sustancias que son gases a presin y temperatura normales (25 (C, 1 atm), as como vapores de sustancias que son lquidas o slidas a esas condiciones (acetona, gasolina, benceno, cido ntrico, metanol, bromuro de metilo, HF, HCl, amoniaco, cloro y otros). Los contaminantes una vez liberados y dispersados en el aire, generalmente forman mezclas tan diluidas que sus propiedades fsicas, tales como densidad, viscosidad, entalpa, etc., son indiferenciables de las del aire limpio. (Seinfeld, 1978).

Los contaminantes gaseosos de mayor importancia de acuerdo a la definicin anterior, son el monxido de carbono, hidrocarburos, sulfuro de hidrgeno, xidos de nitrgeno, ozono y otros oxidantes y los xidos de sulfuros. El dixido de carbono podra ser adherido a la lista por su efecto potencial sobre el clima. Estos y otros contaminantes son listados en la tabla 1.

CONTAMINANTES PARTICULADOS.

La mezcla de gases llamada aire contiene cada vez en mayor cantidad, concentraciones de sustancias qumicas diversas agrupadas bajo la denominacin de partculas, las cuales se definen como cualquier material slido o lquido disperso en la atmsfera o en una corriente gaseosa y cuyos agregados individuales son mayores que las de las pequeas molculas aisladas (alrededor de 0,0002 micras) pero ms pequeas que 500 micras (1 (m = 10-4cm). Las partculas en ese rango de tamao poseen tiempo de sedimentacin muy variado. El material particulado representa suspensiones de partculas, a las cuales Gibbs (1924), concedi el nombre genrico de "aerosoles". Poseen una variable de especial inters (tamao de partcula), la cual afecta el movimiento y por consiguiente las posibilidades de ocurrencia de fenmenos fsicos tales como coagulacin, sedimentacin, impacto sobre superficies y dispersin de luz. Las partculas incluyen los denominados polvo (dust), cenizas volantes (fly ash), condensados (fume), nieblas y neblinas (fog y mist), humos (smoke) y otros.

Tabla 1. Contaminantes gaseososNOMBREFORMULAPROPIEDADES IMPORTANTESSIGNIFICACIN COMO CONTAMINATES DEL AIRE

Dixido de azufreSO2Gas incoloro, altamente soluble en el agua para formar H2SO3.Daos a la vegetacin, propiedad y la salud

Trixido de azufreSO3Soluble en el agua para formar H2SO4Altamente corrosivo

Sulfuro de hidrgenoH2SA bajas concentraciones tiene un olor huevo podrido, a altas concentraciones es inodoroAltamente venenoso

xido nitrosoN2OGas inodoro usado en las botellas de aerosolesRelativamente inerte, no es producido en la combustin

Oxido ntricoNOGas incoloroProducido procesos de combustin de altas temperaturas. Se oxida a NO2

Dixido de nitrgeno NO2Mayor componente en la formacin de smog fotoqumico

Monxido de carbonoCOIncoloro e inodoroProducto de la combustin incompleta, venenoso

Dixido de carbonoCO2Incoloro e inodoroProducto de la combustin completa, posibles efecto en el cambio del clima global

OzonoO3Altamente reactivoDaos en la vegetacin y la propiedad, producido en la formacin del smog fotoqumico

HidrocarburosHCmuchosAlgunos son emitidos por los automviles y las industrias, otros son formados en la atmsfera

Polvo (dust): Son partculas slidas generadas por: a) directamente de los procesos que incluyen manipulacin y procesado del material, por ejemplo, carbn, ceniza y cemento; b) directamente de materiales que sufren alguna operacin mecnica, por ejemplo el esmerilado o aserrado; c) material usado en operaciones mecnicas, por ejemplo, arena desde explosiones. Polvo es un trmino usado en la industria para describir partculas slidas aerotransportadas de tamao que vara desde 1 a 125 micrones (1 m = 10-4 cm). Los polvos superiores a 10 micrones generalmente no quedan suspendidos en el aire el tiempo suficiente, como para causar un problema de inhalacin.

Condensados (fume): Una partcula slida, frecuentemente un xido metlico, formado por la condensacin de vapores por sublimacin, destilacin, calcinacin o en procesos de reaccin qumica. Ejemplo, de vapor o gas son los xidos de zinc y plomo, que son producidos como resultado de la condensacin y oxidacin de metal volatilizado en procesos de altas temperaturas. Neblina (mist): Son partculas lquidas suspendidas que se forman por la condensacin y licuacin de un estado gaseoso o por la desintegracin de un lquido a un estado de dispersin. Tal es el caso cuando se roca, se atomiza o se forma espuma con un lquido. La neblina se forma cuando una partcula finamente dividida queda suspendida en el aire. La neblina generalmente tiene un dimetro menor de 10 (m (dp ( 10 (m). Si la concentracin es lo suficiente alta como para reducir la visibilidad, a la neblina (mist) se le llama niebla (fog).

Humo (smoke): Son partculas slidas formadas como resultado de la combustin incompleta de materiales carbonceos. Aunque los hidrocarburos, cidos orgnicos, xidos de azufre y de nitrgeno son tambin producidos en los procesos de combustin, solamente las partculas slidas, como resultado de la combustin incompleta de materiales carbonceos, se consideran humo. Estas partculas tienen dimetro desde 0,05 a 1 (m.

Aerosol: Consiste de la dispersin en una corriente gaseosa de slidos o lquidos de tamao microscpico, as como de humo, niebla o neblina. En algunas definiciones los aerosoles son incluidos en partculas de tamao de 100( a 0.1(Smog: mezcla de humo (smoke) y niebla (fog). Muy utilizada para describir el fenmeno fotoqumico de aerosoles a menudo presentado el cuidad de los ngeles.

Las partculas, para fines de estudio se clasifican por su tamao. Como se muestra en la figura 1

Figura 1. Clasificacin de las partculas de acuerdo al tamaoPara la EPA, (Agencia de Proteccin Ambiental de los Estados Unidos), el principal contaminantes particulado de inters son las partculas PM-10 Partculas con dimetro aerodinmico no mayor de 10 micrmetros. Pero han sido referenciados otros rangos de tamao de partculas, a saber: PST Partculas suspendidas totales (Total Suspended Particulate), Medido por muestreador estndar de alto volumen ("hi-vol"), Estos aparatos capturan partculas en diferentes rangos de tamao pero en un alto porcentaje las partculas menores de 30 m (PM-30).PI: Partculas Inhalables (IP Inhalable Particulate), Definida como partculas con dimetro aerodinmico no mayor de 15 m, tambin conocidas como PM-15.

PF: Partculas Finas (FP Fine Particulate), Definidas como partculas con dimetro aerodinmico no mayor de 2.5 m. Las PF pueden ser denotadas como PM-2.5.

1.3.1.2 SEGN SU ORIGEN

CONTAMINANTES PRIMARIOS Y SECUNDARIOS Es muy usual dividir los contaminantes atmosfricos en dos grandes grupos que son: los contaminantes primarios y los secundarios.

Un contaminante primario es aquel que es emitido directamente a la atmsfera. Por ejemplo de Contaminantes del aire primario, se pueden mencionar: el SO2, CO, NO2, Pb, CH4, H2S, CFCx, entre otros.Un contaminante secundario es aquel que es formado en la atmsfera por interacciones qumicas entre los contaminantes primarios y los componentes normales de la atmsfera. Ejemplo: O3, COV, SO3, NO, H2SO4, HNO3, HNO4, NAP y otros.1.3.1.3 CONTAMINANTES NATURALES Y ANTROPICO DEL AIREMuchos de los contaminantes de inters son formados y emitidos a travs de procesos naturales, por ejemplo, las partculas por acciones naturales, se pueden incluir granos de polen, esporas de hongos, vapores de sales, partculas de humos desde incendios forestales y polvos desde erupciones volcnicas. Los contaminantes gaseosos originados desde fuentes naturales pueden incluir monxido de carbono (CO) desde la descomposicin de metano (CH4), hidrocarburos en la forma de terpenos desde rboles de pinos, sulfuro de hidrgeno y metano formado en la descomposicin anaerbica de la materia orgnica.

En contraste a las fuentes naturales de contaminantes del aire, hay contaminantes de origen antropico (producidos por el hombre). El uso de combustibles fsiles por el hombre da origen a fuentes de contaminantes que pueden ser convenientemente clasificados como combustin estacionaria, mvil, procesos industriales y fuentes de disposicin de desechos slidos. 1.4 EFECTOS DE LA CONTAMINACIN ATMOSFRICAEn muchos trabajos publicados a travs de los aos, se mencionan algunos estragos causados por la contaminacin atmosfrica. En muchos de ellos se hace nfasis en los efectos producidos sobre los seres humanos, pero existe evidencia real de que la contaminacin del aire no solo afecta a la salud de las personas y animales, sino tambin daa la vegetacin, ensucia y deteriora los materiales. Los efectos adversos de la contaminacin y/o polucin atmosfrica, han sido ampliamente reconocidos durante siglos; la literatura sobre el tpico es muy comn y pareciera que en la actualidad se hubiese alcanzado un elevado conocimiento de la relacin causa - efecto de los contaminantes atmosfricos, pero esto no es cierto, ya que, muy pocos efectos causados por cierto contaminantes individuales no son completamente entendidos y la situacin se agrava debido a la posible accin sinergtica entre ellos. Una manera conveniente de estudiar el tpico sera establecer los efectos causados considerando diferentes reas sensibles o bases de anlisis, por ejemplo: base global (sobre la atmsfera) y la base localizada (sobre el hombre, la vegetacin, los animales y los materiales).

1.4.1. BASE GLOBALEn relacin con los posibles efectos globales se debe considerar la revisin de los conocimientos acerca de la temperatura en el sistema atmsfera - tierra. La tierra es energizada por el sol a travs de la radiacin que recibe, aproximadamente 440 Btu/h*pie2 = 2 cal/cm2*h, valor conocido como constante solar; la atmsfera y los ocanos interactan con esa energa y la distribuyen a travs de las diferentes latitudes. Cualquier interferencia con estos medios de transferencia afectara la distribucin de energa. Probablemente se ha odo hablar de muchas de estas interferencias as como tambin de que no existen respuestas exactas a la magnitud de estos efectos y por consiguiente se dificulta expresar con certeza el fenmeno.

Como efectos globales provenientes de los contaminantes del aire, pueden presentarse cinco:

Efecto lluvia cida (incluido recientemente)

Efecto invernadero (CO2, H2O)

Efecto isla caliente (uso masivo de energa y su disipacin)

Efecto heladera (material particulado)

Efecto sobre la capa de ozono (clorofluocarbono)

1.4.2. BASE LOCALIZADASobre base localizada los efectos son diversos y pueden abarcar desde reduccin de la visibilidad, corrosin, erosin, destruccin de tejidos vegetales, crecimiento retardado y hasta la muerte de seres humanos. Estos efectos se pueden focalizar sobre la propiedad, vegetacin, atmsfera, animales y sobre la salud humana.

1.4.2.1. EFECTO SOBRE LA PROPIEDAD.Tal vez el efecto ms familiar de la contaminacin del aire sobre los materiales, es la de ensuciar las superficies de las casas o edificaciones, los tejidos u otros artculos. Estos materiales se ensucian como resultado de la disposicin del polvo, humo u otras partculas sobre la superficie. Durante un perodo de tiempo esta disposicin comienza a notificarse ensuciando, descolorando o daando la superficie, (Aarne, 1985).

1.4.2.2. EFECTO SOBRE LA VEGETACIN

La vegetacin es daada por los contaminantes del aire de tres maneras: (1) necrosis (muerte del tejido vegetal), (2) clorosis (cambios de color, prdida de clorofila) y (3) alteraciones en el crecimiento. Los tipos de daos causados por los contaminantes difieren segn el mismo. Hay un conjunto de contaminantes atmosfricos que actan en forma txica sobre los vegetales y se les denomina fitotxicos, entre ellos figuran el dixido de azufre, el nitrato de peroxiacilo (PAN), formado en el smog fotoqumico, el etileno, que provoca la maduracin y envejecimiento temprano de los frutos. Otros menos txicos son el cloro, el cloruro de hidrgeno, el mercurio y el amonaco. Los contaminantes fitotxicos entran a las plantas por las estomas junto con el aire que sta requiere en el proceso de respiracin. Habiendo penetrado a la hoja, se enlazan con la clorofila e inhiben la fotosntesis, manifestndose los daos numerados anteriormente.

1.4.2.3. EFECTOS SOBRE LA ATMSFERA

La habilidad de los contaminantes del aire, especialmente el particulado, para reducir la visibilidad es bien conocido, ste es el resultado de la dispersin de la luz por cuerpos que se le anteponen. Las partculas responsables de este efecto son muy pequeas, en el rango de 0,3 a 0,6 (m de dimetro. Aunque el dixido de carbono usualmente no es considerado un contaminante, las concentraciones de CO2 en la atmsfera se han ido incrementando en los ltimos aos, atribuyndose al incremento a la combustin de los combustibles fsiles. El CO2 absorbe fuertemente las radiaciones con longitudes de onda de 15 (m (alta energa) eso retarda el enfriamiento radiactivo de la tierra. Las concentraciones de CO2 podran incrementar su nivel de 0,032 % en 1968 a 0,038 % para el ao 2000. Esto tendra como resultados tericos un incremento de 0,5 C de la tierra, este fenmeno es conocido como efecto invernadero.

1.4.2.4. EFECTOS SOBRE LOS ANIMALES

Los animales tambin son susceptibles de ser afectados por los contaminantes del aire. Durante el episodio de Donora, el 20% de los canarios y el 15% de los perros fueron afectados. En 1952, durante el episodio de Londres, de 351 cabezas de ganado en un establo, 52 se enfermaron seriamente, 5 murieron y 9 fueron sacrificados de forma inmediata. En Anaconda, Montana, en 1902, un gran envenenamiento de ganado, caballos y ovejas ocurri en la vecindad de un cubero de fundicin. De un grupo de 3500 ovejas, 350 murieron despus de haber ingerido vegetacin a 15 millas del fundidor. Los caballos que se alimentaron desde lugares ms lejanos tambin murieron. El contenido de la sustancia venenosa en las ovejas fue de 52 a 405 (g/g de trixido de arsnico, (Aarne, 1985).

1.4.2.5. EFECTO SOBRE LA SALUD HUMANA.

Los contaminantes atmosfricos penetran al cuerpo humano a travs del sistema respiratorio, el cual puede dividirse en el sistema respiratorio superior (cavidad nasal y traquea) y el sistema respiratorio inferior (tubos bronquiales y pulmones) ambos sistemas respiratorios tiene forma de defensas contra partculas y gases. La mayora de las partculas con dimetro superior a 5 micrmetros son fcilmente eliminadas por el sistema respiratorio. Otras con dimetro alrededor de 1 micrmetros se depositan en los bronquios donde son retenidos, pero algunos con dimetro menor a 0.1 micrmetros, las cuales se cree estn influidas por el movimiento browniano (movimiento rpido e irregular causado por colisiones de las partculas con las molculas de aire), pueden penetrar a lo profundo del pulmn humano.

Se ha encontrado que partculas con un dimetro aerodinmico menor de 10 (m (PM10) y especialmente la fraccin de partculas ms finas, con dimetro aerodinmico igual o menor a 2.5 (m (PM2.5), estn asociadas con los problemas de salud en las zonas urbanas ( Dockery y Pope,1994), 1.5 FACTOR DE EMISIONEmisin es la cantidad total de slidos, lquidos o gases contaminantes descargados a la atmsfera de una fuente dada en un tiempo determinado. Considerando como fuente a todo proceso, horno quemador edificio o cualquier planta descargando material extrao al aire.

Es un promedio estadstico de la tasa a la cual un poluente cualquiera es descargado a la atmsfera como resultado de un proceso dividido entre el nivel de ese proceso. Relaciona la cantidad de contaminantes emitido a algn indicador Ejem: capacidad de produccin, cantidad de combustible quemado, kilmetros de recorrido por un automvil y otros.

1.5.1 INVENTARIO DE EMISIN

Es un listado de la cantidad de contaminantes atmosfricos emitido por una fuente dada en un periodo de tiempo determinado. Puede ser determinada a partir de los factores de emisin (AP-42) balance de masa. Las fases para realizar un inventario de emisin son las siguientes:

Estudiar fuentes de emisin:

Tipos y capacidades

Localizacin

Tipos de contaminantes

Procesos (carga de entrada, carga de salida, existencia de controles y tipo).

Formas de trabajo:

Cuestionarios.

Inspeccin.

Mediciones.

Balance de materiales.

Pruebas de fuentes.

Determinacin de factores de emisiones.

Necesidad de informacin:

Consumo de combustible.

Registro de vehculos, plantas industriales, establecimientos comerciales, poblacin y reas servidas y otros.

2. METEOROLOGIA Y LOS PROCESOS DE DISPERSION

El ciclo de la contaminacin del aire puede ser considerado en tres fases: la liberacin de contaminantes del aire desde una fuente, el transporte y dispersin en la atmsfera y la recepcin de contaminantes por las personas, animales y la propiedad. La influencia de la meteorologa es de mayor inters en el transporte y la dispersin. El movimiento de la atmsfera es responsable del transporte y dispersin de los contaminantes en la atmsfera.

2.2. PARAMETROS METEOROLOGICOS

2.2.1 CALOR

El calor es una variable atmosfrica crtica, considerado el mayor catalizador de las condiciones climticas. La energa de calor de la atmsfera proviene desde el sol como radiaciones de ondas cortas (0,5 (m), ms exactamente en la forma de luz visible. La tierra emite ondas de mayor longitud (promedio de 10 (m) que las que recibe, categorizandose su longitud de onda en la forma no visible del espectro electromagntico. No todos los rayos solares alcanzan la tierra, algunos son reflejados al espacio por las partculas individuales en el aire y por efectos de las nubes. La tierra tambin puede reflejar las radiaciones solares al espacio por sus caractersticas de superficie. Por ejemplo, los desiertos de arena, nieve y hielo tienen una alta tasa de reflexin, mientras que los bosques y campos de cultivos tienen una baja tasa de reflexin.

2.2.3. VIENTOSVientos es un simple movimiento de aire. En la macroescala, los movimientos son originados por la distribucin desigual de la temperatura y la presin sobre la superficie de la tierra y significativamente influenciada por la rotacin de la tierra. La direccin de los flujos de vientos es caractersticamente desde la alta a la baja presin, pero fuerzas externas hacen que el aire cambie sus patrones de direccin. En la mesoescala y la microescala los flujos de vientos son crticamente influenciado por las deformaciones topogrficas. La variacin de la superficie tiene efecto sobre la velocidad y direccin de los vientos.

Turner (1994), presenta una aproximacin matemtica para calcular la velocidad de los vientos desde el nivel del suelo a diferentes alturas en zonas cercana entre los 700 a 1000 m.

La ecuacin es:

(2-1)

Donde Uz = velocidad del viento a una altura vertical z, por encima del piso m/s

U0 = velocidad del viento a la altura del anemmetro, m/s

Z = altura vertical por encima del nivel del suelo, m

Z0 = altura del anemmetro por encima del suelo, m

P = exponente dependiente principalmente de la estabilidad atmosfrica, la cual varia desde 0,07 para condiciones inestable y cerca de 0,55 para condiciones estables

La velocidad del viento es usualmente medida por la rosa de los vientos, el cual es un diagrama diseado para mostrar la distribucin de la velocidad y direccin en un sitio dado a travs de un considerado periodo. Los vientos puede tener efectos sobre la el transporte y dispersin de contaminantes de dos manera, a saber: la direccin y la velocidad.

La Direccin del Viento. Si la direccin es representativa a la altura a la cual los contaminantes son liberados, la direccin podran indicar el rumbo que toman los contaminantes. En meteorologa es convencional considerar la direccin del viento, como la direccin desde la cual el viento sopla, por tanto, un viento de noreste podra mover los contaminantes al sureste.

La Velocidad del Viento. El efecto de la velocidad del viento se puede manifestar de dos maneras. La velocidad del viento podra determinar el tiempo de viaje de los contaminantes desde la fuente al receptor. Por ejemplo; si un receptor esta localizado a 1000 metros viento abajo de una fuente y la velocidad del viento es de 5 m/s, el contaminante podra tardar 200 segundos en viajar desde la fuente hasta el receptor.

El otro efecto de la velocidad del viento es la dilucin del contaminante en la direccin viento abajo de la fuente. Si una fuente continua emite un cierto contaminante a una tasa de 10 g/s y la velocidad del viento es de 1 m/s, entonces, una longitud de un metro viento abajo de la pluma, podra contener 10 gramos de contaminante. Considere que las condiciones de emisiones son las mismas pero la velocidad del viento es de 5 m/s. En este caso cada metro de longitud de la pluma podra contener 2 gramos de contaminantes, por tanto, se puede inferir que la dilucin del contaminante del aire liberado desde una fuente fija es proporcional a la velocidad del viento. Esto tambin puede ser notado de la siguiente forma: La concentracin del contaminante en el aire viento abajo proveniente desde una fuente, es inversamente proporcional a la velocidad del viento.

3. PREDICCIN DE IMPACTO DE LA DISPERSION ATMOSFERICAS

Los modelos matemticos tienen como objetivo hacer una estimacin de la cantidad de concentracin de una fuente fija o mvil en la atmosfera, es decir, calcular repetitivamente el anlisis de una situacin o comportamiento de la realidad para dar valor a una ecuacin. Para utilizar esta herramienta se necesita datos de la fuente de emisin y de la zona receptora.

FUENTE

MEDIO

RECEPTOR

Datos de la Fuente: tasa de emisin (Q= masa/tiempo), Altura efectiva de la chimenea (H= metros), si es basura (H= 0), Coordenadas de la fuente (x, y, z).

Datos del Medio: Meteorologa, velocidad y direccin del viento (m/s), temperatura, clase de estabilidad de Pasquill.

Datos del receptor: son los puntos en el espacio donde se van a estimar las concentraciones y se debe conocer de l su ubicacin y coordenadas.

Al final la variable de salida de los modelos matemticos es la concentracin (C= m/V). desde la perspectivas del usuario, los modelos de la dispersin de la calidad del aire pueden clasificarse: segn el tipo de fuente puntuales elevadas (chimeneas), puntuales al nivel del suelo, zonales al nivel del suelo o lineales, segn el tipo de contaminantes (gases o particulado), segn el tiempo medio (corto plazo, 24 horas, mensual o anual) y por ultimo segn las reacciones atmosfricas (deposicin, formacin, smog fotoqumica y formacin de lluvias acidas) .

Los modelos matemticos para predecir los impactos a microescalas implican emplear una clasificacin de la estabilidad. Los modelos se dividen en dos grupos: clculos manuales (con calculadoras) y Modelos informticos (software)

A continuacin se va a desarrollar un modelo de calculo manual, utilizado para calcular las concentraciones medias de contaminantes atmosfricos a corto plazo en localizaciones especificas. Diversas categoras de proyectos o actividades tienen emisiones de chimenea (fuentes puntuales elevadas), algunos ejemplos incluyen las plantas qumicas y las instalaciones de generacin de vapor y/o calor. El modelo escogido como representativo de una situacin especifica debe probarse para verificar si los valores proyectados o calculados son iguales o se aproximan a los medidos experimentalmente. La mayora de las representaciones matemticas para el modelaje de las concentraciones de poluentes coinciden en un formato Gaussiano o normal. Este modelo matemtico de dispersin Gaussiano debe tratar de simular el comportamiento de una pluma emitida desde una fuente a nivel del suelo a la altura de la chimenea; para fuentes puntuales la apariencia de la pluma es como se aprecia en la Figura 2

Modelo de Pasquill Gifford SHAPE \* MERGEFORMAT

Figura 2. Sistema de coordenadas mostrando distribuciones Gaussiana en la horizontal y vertical (Turner 1994)

Las suposiciones del modelo Gaussiano segn Turner (1994), son:

Emisiones continuas. Las emisiones de contaminantes en masa por unidad de tiempo desde una fuente puntual son en forma continua y la tasa emitida no vara con el tiempo.

Conservacin de masas. Durante el trasporte del contaminante desde una fuente hacia un receptor, la masa emitida es asumida que permanece en la atmsfera. Ningn material es removido por reacciones qumicas ni por prdidas por reacciones en la superficie del suelo, sedimentacin gravitacional, impactacin turbulenta. Se asume que cualquier poluente liberado es dispersado a la superficie de la tierra por remolinos turbulentos y este es nuevamente dispersado desde la superficie de la tierra a otro subsecuente remolino turbulento, esto es conocido como efecto de reflexin.

Condiciones de estado estacionario. Las condiciones meteorolgicas se asumen que persisten constante con el tiempo, o mejor sobre el periodo de tiempo de viaje o transporte desde la fuente hasta el receptor.

Distribucin vertical y transversal de las concentraciones. Se asume que en tiempo promedio, el perfil de la concentracin a cualquier distancia en la direccin transversal (perpendicular a la lnea de transporte), son representadas por una distribucin Gaussiana y similarmente el perfil de las concentraciones en la direccin vertical (tambin perpendicular a la lnea de transporte de la pluma) es tambin representada por una distribucin Gaussiana (Turner, 1994)

3.1 FUENTE PUNTUAL AL NIVEL DEL SUELO

Este caso corresponde al caso tpico de una quema de pasto o matorrales o basura donde la emisin se genera y sale a nivel del suelo. La concentracin del contaminante [C] viento abajo, en el punto(x, y, z) desde una fuente puntual al nivel del suelo est dada por la ecuacin general:

(3-3)

donde:

C X,Y,Z = Concentracin del contaminante, g/m3

Q = Tasa de emisin de contaminante, g/s

( = Velocidad del viento en el punto de liberacin, m/s

(y = Desviacin estndar en la distribucin de concentracin de la

direccin transversal, m, a una distancia x viento abajo de la

fuente.

(z = Desviacin estndar en la distribucin de concentracin en la

direccin vertical, m, a una distancia x viento abajo de la

fuente.

( = Constante matemtica pi, igual a 3.14159

exp = Base del logaritmo natural, 2.71828183

z= Altura desde el suelo, m

x = Distancia viento abajo a lo largo de la lnea central de la

pluma, m

y = Distancia transversal desde la lnea central de la pluma, mEsta ecuacin puede simplificarse si solo es necesitada la concentracin de los contaminantes a lo largo de la lnea central de la pluma. En este caso Y = 0, y la ecuacin es la siguiente:

(3-4)

La ecuacin 3.4 tambin puede ser simplificada si se quiere la concentracin a lo largo de la lnea central de la pluma y al nivel del suelo (2m considerada la altura respirable) en este caso Y=0 y Z=0:

(3-5)

3.2. FUENTE PUNTUAL A LA ALTURA H POR ENCIMA DEL SUELOLa concentracin del contaminante [C], en el punto (x,y,z) desde una emisin continua a la altura efectiva H = hS + h (altura fsica + altura de elevacin de la pluma), sin reflexin, es dada por la siguiente ecuacin:

(3-6)

La restriccin "sin reflexin" es extremadamente importante. La ecuacin anterior constituye una expresin adecuada para la concentracin en la direccin del viento, hasta llegar a un punto en la posicin y direccin x donde sea significativa la concentracin al nivel del suelo (z = 0). Tendr lugar entonces una apreciable "reflexin" del contaminante gaseoso, al difundirse regresivamente en la atmsfera desde el nivel del suelo. En un modelo de este tipo se supone que la superficie terrestre no es sumidero para un contaminante. La reflexin del suelo puede ser modelada por una imagen virtual a una distancia -H, por debajo de la superficie de la tierra; en el rea ms all desde la posicin donde la pluma toca el suelo, la concentracin aumentar sobre la suministrada normalmente por la fuente. Esta concentracin aumentada se determina matemticamente sumando dos ecuaciones como la ecuacin 3.6. Sin embargo, una de las ecuaciones contiene un termino (z+H), en vez del trmino (z-H). Esto da por resultado, que la ecuacin de concentracin para una fuente elevada con reflexin, tome la forma

(3-7)

Para concentraciones calculadas al nivel del suelo, Z=0, la ecuacin anterior se simplifica de la siguiente manera:

(3-8)

Cuando la concentracin es calculada a lo largo de la lnea central de la pluma, y=0, ya nivel del suelo, z=0, la ecuacin anterior se reduce a:

(3-9)

CLASE DE ESTABILIDAD DE PASQUILL. Pasquill (1961) introduce un mtodo de estimacin de estabilidad atmosfrica, incorporando consideraciones de las dos turbulencias, mecnica y trmica. La mejor forma de este mtodo es citada por Turner (1994) y es presentada en la Tabla 2. La turbulencia mecnica es considerada por la inclusin de la velocidad del viento superficial (aproximadamente 10 metros sobre el suelo). La generacin positiva de la turbulencia trmica es considerada a travs de la insolacin (ingresando la radiacin solar). La generacin negativa de la turbulencia trmica es considerada a travs de la cubierta de nubes en las horas de la noche. La menor cobertura de nube aumenta la cantidad de escape de ese calor desde la superficie a travs de la radiacin infrarroja. Altas velocidades del viento o nubosidad total pueden clasificarse como condicin neutral o clase de estabilidad D. Condiciones inestables son; fuertemente inestable, A; moderadamente inestable, B; y ligeramente inestable, C. Las condiciones estables son; ligeramente estable, E; y moderadamente estable, F.

Tabla 2. Clave para categora de estabilidad de Pasquill

Velocidad de viento superficial (a 10 m) m/sDa

Insolacin o radiacin solar entrante (1)Noche (2)

Fuerte

>50 cal/cm2hModerado

Entre 25 y 50 cal/cm2hLigero

< 25 cal/cm2hEscasamente nublado o 4/8 nubosidad7/8Nubosidad 3/8

< 2

2 - 3

3 - 5

5 - 6

> 6A

A B

B

C

CA B

B

B C

C D

DB

C

C

D

DFE

D

D

DFF

E

D

D

Fuente: Turner, 1994.

(1) Las unidades de radiacin solar se expresan en cal/cm (Langleys) o en kWh/m, donde 1 cal/cm = 0,0116 kWh/m. Insolacin fuerte corresponde a medioda asoleado en pleno verano en Inglaterra; insolacin ligera a condiciones similares en invierno.

(2) La noche se define como el perodo desde una hora despus de la puesta del sol, hasta una hora antes de la salida del mismo.

La nubosidad se mide en octavos, lo cual significa lo siguiente:

0/8 ------------ Cielo despejado

4/8------------- La mitad del cielo cubierto

8/8------------- Cielo totalmente cubierto.

Como puede verse en la Tabla 2 las estabilidades A, B y C representan las horas diurnas con condiciones inestables. La estabilidad D, los das o noches con cielo cubierto con condiciones neutras. Las estabilidades E y F, las condiciones nocturnas estables, y se basan en la cantidad de cobertura de nubes. Por consiguiente, la clasificacin A representa condiciones de gran inestabilidad y la clasificacin F, de gran estabilidad No siempre se dispone de datos de radiacin solar, por ello, segn la cantidad y altura de

las nubes y el ngulo de elevacin solar, se puede calcular el nivel de radiacin solar incidente, de acuerdo al cuadro siguiente.La categora neutral D tambin ser usada, independientemente de la velocidad del viento, para condiciones nubladas durante el da o la noche y para cualquier condicin del cielo durante la hora precedente o siguiente de la noche tal como fue definida arriba.

Figura 3. Parmetro de dispersin horizontal Pasquill Gifford (y), como funcin de la clase de estabilidad de Pasquill y la distancia viento abajo de la fuente (Turner, 1994)

Figura 4. Parmetro de dispersin vertical Pasquill Gifford (z), como funcin de la clase de estabilidad de Pasquill y la distancia viento abajo de la fuente (Turner, 1994)

Ejercicio 1Aplicar un ejemplo de 3 industrias que contaminen la misma zona de una ciudad y una de ella sobrepase los limites permisibles para ver que mecanismos de control proponen si ellos son los dueos de esa industria.Materia gaseosa

Materia Particulado

Estado fsico

Primario

Secundario

Origen

Natural

Artificial

Naturaleza

A

A

z

y

Seccin A-A

PAGE 19Docente Gua: Jhonny Perez Montiel

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