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Asignatura: Contaminación
ambientalPredicción de la concentración de la
contaminación en el aireSemana 4
UNIVERSIDAD NACIONA DE CEN!RODE PERU
"ACU!AD DE CIENCIAS
"ORES!AES # DE A$%IEN!E
Ing& Carolina Sotelo Alc'ntara
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Meteorología de la
contaminación atmosférica Cuando los gases o partículas son emitidas a la
atmósfera, desde un vehículo, industria u otrafuente, es difícil predecir su evolución dentro de
la misma debido a los siguientes factores:› Meteorológicos:
Velocidad y dirección del viento Temperatura y humedad
Turbulencia Estabilidad atmosférica Efectos topogr!cos de la meteorología
› "rigen de la emisión› #roceso
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$as emisiones contaminantes de laatmosfera son de interés a tres escalas›
Microescala: de orden de % &m 'por e(emplopenachos de chimenea)› Mesoescala: de orden de %** &m 'por e(emplo
vientos monta+a valle)› Macroescala: de orden de miles de &ilómetros
'por e(emplo altas-ba(as sobre océanos ycontinentes)
Estas escalas se relaciona también con el tiempo ydebido a .ue las velocidades del viento son
apro/imadamente 0m-s, los efectosmeteorológicos de microescala tienen lugardurante minutos y horas, los de mesoescala porhoras y días y los de macroescala durante días ysemana
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%1 Velocidad del viento
Cuanto mayor la velocidad del viento,menor la concentración del contaminante
VELOCIDAD DE EMISION
VIENTO : 6 m/seg
VIENTO : 2 m/seg
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Velocidad del VientoC232CTE345T6C25 7856C25
Velocidad del viento es cero al nivel del suelo Velocidad del viento aumenta con la altura Varía al 9uir alrededor de obstculos
onde:p ; e/ponente .ue depende de la estabilidad atmosférica y el
carcter de la super!cie subyacente 'varía desde apro/1 *,%
a *,< al pasar de una atmósfera inestable a una estable)
p
nn
Z uu
=10
10
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Velocidad del VientoE=ECT" 5"73E $"5 C">T2M6>2>TE5
72?2› #oca dispersión de
gases y partículas
› Menos resuspensión departículas
› Menos potencial dedispersar residuos
2$T2› 7uena dispersión de
gases y partículas
'polvo)
› Mayor resuspensiónde partículas
› Mayor potencial dedispersar residuos
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Velocidad del VientoE=ECT"5 E VE$"C62E5 72?25
En una condición de vientos suaves, los gases calientes en la plumapueden crear una circulación .ue puede causar .ue la contaminacióncircule en un bucle hasta el nivel del suelo a una cierta distancia de la
fuente
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irección del Viento
5i el viento no sopla hacia un cierto receptor,no habr problemas en ese receptor #E3" Elviento sopla en cada dirección parte del
tiempo
Características bsica› En cada lugar hay direcciones de viento
prevalentes› 5e basa en observaciones de super!cie @
las plumas generalmente via(an en lo alto› 5e reporta como la dirección E5E donde
sopla el viento1
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A1 Turbulencia
$a velocidad variable del viento debido a los obstculos'edi!cios, plantas, bos.ues, etc1) se llama turbulencia y porser producto de la rugosidad del terreno se denominaturbulencia mecnica: .ue es parcialmente responsable de la
dispersión atmosférica de la contaminación1 Controla la dilución con aire de la pluma de contaminantes Controla la estructura de la pluma de contaminantes $a turbulencia también se produce por la gradiente vertical de
temperatura1 $a super!cie templada de la tierra provoca .ue el aire caliente
o Btérmicas se eleven produciendo corrientes en dondemasas de aire asciendan y otras masa frías desciendan
Este movimiento turbulento se denomina turbulencia térmicao fuerDa ascensional1
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Turbulencia"36E> F E5C2$2
"36E>› Mecnica›
Térmica
E5C2$2› #e.ue+a›
rande
C2TE"3425› =i(adas por
#as.uill y iGord
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Turbulencia T6#"5
TH3M6C2› El calor de la super!cie
terrestre calienta elaire .ue esta sobre lasuper!cie provocando.ue se levante
› M/ima en lasprimeras horas de la
tarde
› Mínima al amanecer
MEC8>6C2› #rovocada por los
cambios de velocidad
del viento cerca a latierra en su afan deevitar obstaculos
› $a fuerDa depende
de la velocidad delviento y de laaspereDa de lasuper!cie
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$a 3ealidad de la Turbulencia
MEC8>6C2vs1 TH3M6C2
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I1 Temperatura
$a temperatura controla la actividad enla atmósfera
$a temperatura controla como secomportar una pluma decontaminantes
$a temperatura controla .ue tan rpidoocurrirn las reacciones .uímicasatmosféricas
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C232CTE365T6C25 7256C25
CE3C2 2 $25J#E3=6C6E› 2lta
Tasas de reacción msrpidas $a super!cie se seca
› 7a(a Tasas de reacción ms
lentas Kumedad permnece
en la super!cie o secongela 'sellando lasuper!cie)
V2362C6L> C"> 2$TJ32› 3elaciones con la
super!cie son
importantes› >ormalmente la
temperatura ba(a %grado Celsius por cada%** m de altura sobre
el suelo› $a tasa de cambio de la
temperatura determinala estabilidad de laatmósfera
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radientes de temperatura
En las Donas ms ba(as de latroposfera, la temperatura del
ambiente habitualmente disminuyecon la altitud1
$a velocidad con la .ue la temperaturadisminuye se conoce como gradientede temperatura .ue es de 1N OC-&m o%OC-%** m
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C2TE"3425 7856C25
6nestable 'ma+anas soleadas)
>eutral 'nublado, ventoso, tardessoleadas)
Estable 'noche, cielo claro, vientossuaves, primeras horas de la ma+ana)
INVERSION TERMICA
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AIRE
CALIENTE
AIRE FRIO
AIRE MAS
FRIO
A
LT
I
T
U
D
0
0
TEMPERATURA
AIRE
CALIENTE
AIRE FRIO
AIRE MAS
FRIO
A
LT
I
T
U
D
0
0
TEMPERATURA
INVERSION TERMICA
La atmosfera inestable permite !e los "asesemiti#os se #isipen en la atmosfera alta En !na atmosfera estable$ la CAPA DEINVERSION impi#e la e%a&!a&i'n #e "ases
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Estabilidad @ 6M#"3T2>C62
Controla como se comporta la pluma Controla .ue tan rpido se esparce la
pluma #uede prevenir .ue la pluma se
levante, y por tanto aumenta laconcentración cerca del suelo
#uede aislar la pluma respecto de lasuper!cie, y así reducir laconcentración de contaminantes cerca
del suelo
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2ltura de MeDcla
$a tierra emite rayosinfrarro(os
En una noche clara sin
nubes, hay una pérdidaneta de calor en lasuper!cie lo .ue enfría elaire formando unainversión nocturna1
$a capa entre la super!ciey la inversión es lo .ue sellama Bcapa de meDcla
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2ltura de MeDcla @6mportancia
$os contaminantes se meDclan dentro de estacapa
$a distancia desde la super!cie a lo alto deesta capa se llama Baltura de meDcla
Cuanto mayor sea la altura de esta capa,mayor es el volumen de aire disponible dentrodel cual los contaminantes se pueden meDclar
5i la pluma es atrapada, cuanto mas ba(a seala altura de meDcla mayor sera laconcentración
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C232CTE345T6C25 7856C25de 2ltura de MeDcla
5e crea una inversión nocturna establecuando se enfría el aire en la super!ciede la tierra en la noche
En la ma+ana, la radiación solar calientala super!cie y las turbulencias termalesdestruyen la capa de inversión estable
2lrededor de medio día se forma unacapa bien meDclada con una tasa delapso superadiabtica 'una capainestable)
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Comportamiento de la #luma
25CE>5"5 T6#6C"5E $2 #$JM2
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Comportamiento de la #luma2E3"6>8M6C25 E CK6ME>E25
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Estabilidad y comportamiento de la pluma
• $a pluma de espiral de la !gura, se produce en condiciones muyinestables debido a la turbulencia causada por el acelerado girodel aire1
• Mientras las condiciones inestables generalmente sonfavorables para la dispersión de los contaminantes, algunasveces se pueden producir altas concentraciones momentneas
en el nivel del suelo si los espirales de la pluma se muevenhacia la super!cie1
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Estabilidad y comportamiento dela pluma
• $a pluma de abanico, se produce en condiciones estables1 El gradiente deinversión inhibe el movimiento vertical sin impedir el horiDontal y lapluma se puede e/tender por varios &ilómetros a sotavento de la fuente1
• $as plumas de abanico ocurren con frecuencia en las primeras horas de lama+ana durante una inversión por radiación1
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Estabilidad y comportamiento dela pluma
$a pluma de cono, es característica de las condicionesneutrales o ligeramente estables1 Este tipo de plumastiene mayor probabilidad de producirse en días nubososo soleados, entre la interrupción de una inversión porradiación y el desarrollo de condiciones diurnas
inestables1
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Estabilidad y comportamiento dela pluma
Cuando las condiciones son inestables sobre unainversión '!gura), la descarga de una pluma sobre estada lugar a una dispersión efectiva sin concentracionesnotorias en el nivel del suelo alrededor de la fuente1 Estacondición se conoce como 9otación1
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Estabilidad y comportamiento dela pluma
5i la pluma se libera (usto deba(o de una capa de inversión, es probable .uese desarrolle una grave situación de contaminación del aire1 Fa .ue el suelose calienta durante la ma+ana, el aire .ue se encuentra deba(o de lamencionada capa se vuelve inestable1 Cuando la inestabilidad alcanDa elnivel de la pluma entrampada ba(o la capa de inversión, los contaminantesse pueden transportar rpidamente hacia aba(o hasta llegar al suelo'!gura)1 Este fenómeno se conoce como fumigación1
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#E3=6
$E5
E
C"$JM>
2C"
>$2
E5
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6nterpretación de las categorías de estabilidad
Velocidaddel (ientoU)* +m,s-
D.a de radiación solar /uellega
De noc0e: grado denublados
Intensa $oderada e(e 1 4,2 denubesba3as
5,2 denubesba3as
P A 2 27 7 Q R
A I 27 7 C E f I 0 7 7C C e
0 S C C d
S C
Clases de estabilidad de #as.uill12, 7, CU varían entre muy inestable y ligeramente inestable1U es neutra1 E y =U ligeramente y moderadamente establerespectivamente
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01 #recipitación
#uede remover los contaminantes delaire
#uede prevenir muy efectivamente laemisiones de partículas desde el suelo
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C232CTE345T6C25 7856C25
MJF #"C2› $a surper!cie es
seca
› >o limpia muy bienla contaminacióndel aire
› $a velocidad de
reacciónsubterrnea enrellenos sanitarioses casi normal
MJCK2› $a super!cie esta
saturada 'sellada)› $impia la
contaminación delaire
› 5e aumenta la
velocidad dereacciónsubterranea en losrellenos sanitarios
OCURRE EN DIRECCIONES PREFERENCIALES
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E/ponente p en per!les de ba(avelocidad
Clase deestabilidad
!errenorural claro
%os/ue67 8 4**m
i(er9oolurbano+urbanorural-
Urbano678 ** m
2 @ 7 C *1*W @ *1%**1AN
*1%0 @ *1A*1
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E(ercicios
eterminar la velocidad a A*, A**, I0*y 0** m de altura cuando J%* es de 0
m-s y p es *1A, estabilidad 1
2simismo determinar la velocidad enlas alturas indicadas anteriormente enestabilidad E en una Dona urbana rural1Kacer un gra!co comparativo
ispersión de
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ispersión decontaminantes
Es.uema de elevación del per!l de concentración de un penacho
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e la !gura se observa el per!l deconcentración de un penacho .uese eleva, procedente de unachimenea Ks, el contaminante seemite con un caudal X y unavelocidad de salida Y, el penachogana altura antes de desplaDarseaguas aba(o 'sotavento) debido laviento .ue prevalece por lascondiciones atmosféricas1
$a ganancia de altura se denominaelevación del penacho ZKU la alturaefectiva del penacho resulta
Ke; Ks [ ZK
2 medida .ue el penacho progresaagua aba(o se asume .ue ladifusión ad.uiere unadistribución gaussiana1
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Los tres términos de la ecuación gaussiana del penacho: concentración en el
eje central y términos vertical y lateral
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$a concentración m/ima nivel delterreno se encuentra en la línea central
del penacho y=o de manera que:
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Emisiones a nivel delterreno
Coe!cientes de dispersión de la columna como función de
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Coe!cientes de dispersión de la columna como función dela distancia en la dirección del viento respecto a la fuente
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E(ercicios
eterminar los coe!cientes dedispersión en y, D cuando se tienen lassiguientes condiciones:
\; I0* m, %
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#roblemas:
El fuego en un botadero de residuos sólidos emite Igr-s de >"/1 eterminar la concentración de >"/ a A]m aguas aba(o si la J%* es de 0 m-s y la estabilidades 1 Cual es la concentración m/ima en la super!ciedel terreno y sobre 0* m1
Calcular la concentración en de KA5 a %0*m sobre lasuper!cie considerando una estabilidad de tipo E a
I0** m del foco de emisión en la .ue se encuentrauna población urbana rural, adems se sabe .ue elgasto de emisión es de A* ]g-s y la J%* es de
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Elevación del penacho o modelo deascensión de columnas
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