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TECNOLGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DEL ORIENTE DEL ESTADO DE MXICO
ACADEMIA DE INGENIERA AMBIENTAL
CUADERNILLO DE APOYO PARA LA ASIGNATURA DE:
CONTAMINACIN ATMOSFRICA
PROFESOR: DAVID ROMERO FONSECA
LOS REYES LA PAZ A 20 DE FEBRERO DEL 2010
ndice
Pgina
Introduccin
I
Captulo 1. Conceptos bsicos
1.1 La atmsfera 1
1.2 Fundamentos de meteorologa 5
1.3 Estaciones meteorolgicas 10
1.4 Los instrumentos meteorolgicos 17
Capitulo 2. Contaminacin de la atmsfera.
2.1 Concepto 23
2.2 Fuentes de contaminacin 24
2.3 Tipos de contaminantes 27
2.4 Efectos de la contaminacin en la salud humana 28
Capitulo 3.Transporte y dispersin de contaminantes atmosfricos.
3.1 Conceptos bsicos. 39
3.2 Circulacin global de los contaminantes. 40
3.3 Caractersticas generales en las plumas en chimeneas. 42
3.4 Modelos de dispersin. 46
3.5 Caractersticas generales de las chimeneas 47
3.6. Clculo de la altura efectiva de la chimenea 51
3.7 Efectos del tipo de fuente en la elevacin de la pluma 55
Tipos de plumas 59
Capitulo 4 Monitoreo
4.1 Monitoreo en fuentes mviles y factores de emisin. 63
4.2 Monitoreo de emisiones 66
4.3 Procesos de emisin en vehculos automotores 67
4.4 Monitoreo atmosfrico perimetral. (Imeca) 70
Capitulo 5. Clasificacin y caractersticas de los dispositivos de control
5.1 Partculas. 76
5.2 Gases y vapores. 86
5.3 Control de olores 89 5.4 Precipitadores electrostticos 95
Bibliografa
Introduccin.
La contaminacin atmosfrica en los ltimos aos surge como una
problemtica alarmante no solo a nivel nacional, sino internacional debido a las
graves afectaciones que genera en la salud de los seres vivos y en especial al
hombre.
Con la elaboracin del presente cuadernillo, se pretende que los alumnos de la
carrera de Ingeniera Ambiental y en particular aquellos que se encuentren
cursando la materia de Contaminacin Atmosfrica, cuenten con una gua lo ms
completa posible de los contenidos temticos de dicha asignatura.
Cabe aclarar, que este tipo de instrumentos didcticos no sustituyen de
ninguna manera a los libros de texto especializados en la materia, tampoco a la
actividad de enseanza aprendizaje; sino que simplemente es una referencia ms
para el estudiante que necesita delimitar y conocer el valor temtico de sta
asignatura.
En la primera unidad se conocern los conceptos fundamentales de la
atmsfera y su composicin, as mismo se informa acerca de la meteorologa que
es una ciencia, de la cual se apoya esta asignatura as como las estaciones
meteorolgicas y la instrumentacin empleada en stas.
En la segunda unidad se conocer acerca del concepto de contaminacin
atmosfrica, su clasificacin, fuentes y efectos en la salud y repercusiones en las
actividades humanas. En el tercer captulo se mencionan los principales
mecanismos de transporte, dispersin de los contaminantes as como los
principales modelos matemticos que se usan para la descripcin del movimiento
y comportamiento de los contaminantes en la atmsfera.
Para el cuarto captulo se describe bsicamente el monitoreo atmosfrico y las
fuentes que generan la emisin de sustancias a la atmsfera.
Adems se describe el alcance del ndice Metropolitano de la Calidad del
Aire mejor conocido por todos como (IMECA) que es un mecanismo que alerta y
da informacin continua acerca de la calidad atmosfrica de la zona metropolitana.
Finalmente en el ltimo apartado se da a conocer la clasificacin,
caractersticas y aplicaciones de algunos de los dispositivos de control ms
importantes a nivel industrial y comercial para abatir la emisin de contaminantes
atmosfricos.
Por ltimo es necesario mencionar, que este documento es un compendio
obtenido de distintas fuentes bibliogrficas y es como todo material susceptible de
perfeccionamiento. De antemano espero que sea de gran utilidad y sirva como un
granito de arena ms para el desarrollo de nuestros alumnos y en general de
nuestra querida institucin.
1
Unidad 1. Conceptos bsicos.
Objetivo Educacional. El estudiante adquirir los fundamentos sobre la atmsfera y su relacin con la meteorologa.
1.1 La atmsfera
Comenz a formarse hace unos 4600 millones de aos con el nacimiento de la
Tierra. La mayor parte de la atmsfera primitiva se perdera en el espacio, pero
nuevos gases y vapor de agua se fueron liberando de las rocas que forman
nuestro planeta. La atmsfera de las primeras pocas de la historia de la Tierra
estara formada por vapor de agua, dixido de carbono (CO2) y nitrgeno, junto a
muy pequeas cantidades de hidrgeno (H2) y monxido de carbono pero con
ausencia de oxgeno. Era una atmsfera ligeramente reductora hasta que la
actividad fotosinttica de los seres vivos introdujo oxgeno y ozono y hace unos
1000 millones de aos la atmsfera lleg a tener una composicin similar a la
actual.
La atmsfera es una masa gaseosa que rodea la tierra y permite la vida en est
porque contiene, entre otros gases, oxigeno y dixido de carbono. El oxigeno
permite la respiracin y el dixido de carbono sirve para la fotosntesis. En el
medio a travs del cual se transporta agua desde los ocanos a los continentes.
Constituye un escudo protector del planeta porque absorbe las radiaciones
peligrosas, como los rayos csmicos y gran parte de los rayos ultravioleta, que
produciran la muerte de los organismos vivos; adems, estabiliza la temperatura
de la tierra. Ver figura 1.
2
Descripcin de las capas que constituyen la atmsfera
Figura 1 Fuente:www.encolombia.com/medioambiente/Atmosfera Los dos principales componentes de la atmsfera son el nitrgeno, con un 78%
del total, y el oxgeno, 21%. El resto de gases tienen concentraciones mucho
menor pero son muy importantes. La atmsfera no tiene composicin uniforme al
subir en ella. Es mucho ms fina que el radio terrestre, en 5.5 km encontramos la
mitad del total de la masa, siendo el 90% en torno a 30 Km.
La temperatura, es un factor importante a considerar al estudiar la atmsfera ya
que esta vara grandemente y es la responsable de la mayora de si no es que de
todos los fenmenos fsicos que involucran al ciclo del agua. Estos cambios de
temperatura, as como su estratificacin se pueden ver en la figura 2.
La temperatura de la atmosfera vara de una manera compleja segn la altitud.
Segn este parmetro, su estructura se puede dividir en cuatro capas o regiones,
con el perfil de temperatura indicado. Este perfil est controlado principalmente
por la absorcin de la energa solar en estas capas.
3
Sobre la superficie terrestre y hasta una altitud de unos 12 km se encuentra la
troposfera, en la cual la temperatura disminuye desde los 15C valor promedio de la superficie terrestre, hasta aproximadamente -50C .En esta regin se manifiesta
la vida de los organismos, se generan los vientos y las precipitaciones, se
observan los cielos soleados o nublados, se transfiere agua de los ocanos a los
continentes, se desplazan los aviones, etc. El gradiente de temperatura es
negativo por lo que se produce una mezcla constante de masas de aire, tanto en
la direccin vertical como horizontal, lo cual hace que esta capa tenga gran
actividad meteorolgica. El lmite superior de la troposfera se denomina
tropopausa.
Sobre la tropopausa esta la estratosfera, cuya temperatura posee un gradiente positivo que va desde -56C hasta -2C a una altitud de 50km. Este tipo de
gradiente impide la ascensin de las masas de aire frio por encima de las masa
calientes menos densas. Por esta razn solo ocurren movimientos horizontales de
las masas de aire, lo cual configura una estructura de estratos.
El lmite entre la estratosfera y la capa siguiente, mesosfera, se denomina
estratopausa. Sobre este lmite se extiende una capa que va desde los 50 hasta los 85 km de altitud. La temperatura vara desde -2C hasta -92C y, al igual que
la troposfera, el gradiente de temperatura de la mesosfera es negativo: como la
densidad es muy baja prcticamente no existen movimientos de masas gaseosas.
Finalmente esta la regin termosfera, separada por la mesopausa, cuya altitud va desde los 85 hasta ms all de los 500 km.
En ella la temperatura se incrementa de -92C hasta 1.200 C, debido a que la
escasa cantidad de gases absorbe radiacin de alta energa, inferior a 200nm.
En contraste con los grandes cambios de temperatura que se producen en las
capas de la atmosfera, la presin de esta disminuye de un modo regular al
aumentar la altitud.
4
Variaciones de temperatura en relacin a la altitud atmosfrica
Figura 2 Fuente: www.telefonica.net/Imagenes/Capas.
Los componentes de la atmsfera se encuentran concentrados cerca de la
superficie, comprimidos por la atraccin de la gravedad y, conforme aumenta la
altura la densidad de la atmsfera disminuye con gran rapidez. En los 5,5
kilmetros ms cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total y
antes de los 15 kilmetros de altura est el 95% de toda la materia atmosfrica.
La mezcla de gases que llamamos aire mantiene la proporcin de sus
distintos componentes casi invariable hasta los 80 km, aunque cada vez ms
enrarecido (menos denso) conforme vamos ascendiendo. A partir de los 80 km la
composicin se hace ms variable. En la tabla 1 se muestran las composiciones
porcentuales y otras caractersticas de los principales gases que componen la
atmsfera.
5
Otros gases de inters presentes en la atmsfera son el vapor de agua, el
ozono y diferentes xidos de nitrgeno, azufre.Tambin hay partculas de polvo en
suspensin como, por ejemplo, partculas inorgnicas, pequeos organismos o
restos de ellos, NaCl del mar, etc. Muchas veces estas partculas pueden servir de
ncleos de condensacin en la formacin de nieblas (smog o neblumo) muy
contaminantes.
Principales sustancia que conforman la atmsfera y porcentaje en masa
componente masa molar % molecular % masa espesor relativo
N2 28.02 78.08% 75.51% 6.35 km O2 32.00 20.95% 23.14% 1.68 km Ar 39.94 0.93% 1.28% 74 m Ne 20.18 18 ppm 13 ppm 15 cm He 4.00 5 ppm 0.7 ppm 4 cm Kr 83.70 1 ppm 2.9 ppm 8 mm H2 2.02 0.5 ppm 0.03 ppm 4 mm
CO2 44.01 350 ppm 533 ppm 2.8 m O3 48.00 0-12 ppm 0-20 ppm 0-1 mm
H2O 18.02 0-4 % 0-2.5% 0-300 m Tabla 1 Fuente: propia
1.2 Fundamentos de meteorologa.
El viento, la humedad, la inversin y las precipitaciones tienen un papel
importante en el aumento o disminucin de la contaminacin.
El viento generalmente favorece la difusin de los contaminantes ya que
desplaza las masas de aire en funcin de la presin y la temperatura. El efecto
6
que puede causar el viento depende de los accidentes del terreno o incluso de la
configuracin de los edificios en las zonas urbanizadas.
Al contrario del viento, la humedad juega un papel negativo en la evolucin
de los contaminantes ya que favorece la acumulacin de humos y polvo. Por otra
parte, el vapor de agua puede reaccionar con ciertos aniones aumentando la
agresividad de los mismos, por ejemplo el trixido de azufre en presencia de vapor
de agua se transforma en cido sulfrico, lo mismo ocurre con los cloruros y los
fluoruros para dar cido clorhdrico y fluorhdrico respectivamente.
Inversin trmica.
Normalmente, la temperatura del aire disminuye con la distancia, de tal
manera que en una atmsfera normal hay una disminucin de 0.64 a 1.0 C cada
100 metros en la zona ms prxima a la superficie de la tierra, llamada troposfera;
por encima de ella la temperatura disminuye ms rpidamente. Este sera el
radiante trmico normal, pero bajo determinadas condiciones orogrficas y
climatolgicas este gradiente puede alterarse de tal manera que a una
determinada altura la temperatura del aire es superior a la de una altura inferior.
El problema que esto crea es impedir la dispersin vertical de los humos y de
otros contaminantes enviados a la atmsfera por las industrias, calefacciones,
motores de explosin, actividades urbanas etc.
El fenmeno de inversin trmica se presenta cuando en las noches
despejadas el suelo ha perdido calor por radiacin, las capas de aire cercanas a l
se enfran ms rpido que las capas superiores de aire lo cual provoca que se
genere un gradiente positivo de temperatura con la altitud (lo que es un fenmeno
contrario al que se presenta normalmente, la temperatura de la troposfera
disminuye con la altitud).
7
Esto provoca que la capa de aire caliente quede atrapada entre las 2 capas de
aire fro sin poder circular, ya que la presencia de la capa de aire fro cerca del
suelo le da gran estabilidad a la atmsfera porque prcticamente no hay
conveccin trmica, ni fenmenos de transporte y difusin de gases y esto hace
que disminuya la velocidad de mezclado vertical entre la regin que hay entre las
2 capas fras de aire.
El fenmeno climatolgico denominado inversin trmica se presenta normalmente en las maanas fras sobre los valles de escasa circulacin de aire
en todos los ecosistemas terrestres. Tambin se presenta este fenmeno en las
cuencas cercanas a las laderas de las montaas en noches fras debido a que el
aire fro de las laderas desplaza al aire caliente de la cuenca provocando el
gradiente positivo de temperatura. Este fenmeno se ilustra en la figura 4.
Actividad en las inversiones trmicas
Figura 3 Fuente: www.cepis.ops-oms.org
Cuando se emiten contaminantes al aire en condiciones de inversin trmica,
se acumulan (aumenta su concentracin) debido a que los fenmenos de
transporte y difusin de los contaminantes ocurren demasiado lentos, provocando
8
graves episodios de contaminacin atmosfrica de consecuencias graves para la
salud de los seres vivos.
La inversin trmica es un fenmeno peligroso para la vida cuando hay
contaminacin porque al comprimir la capa de aire fro a los contaminantes contra
el suelo la concentracin de los gases txicos puede llegar hasta equivaler 14
veces ms de lo que normalmente se esperara
Generalmente, la inversin trmica se termina (rompe) cuando se calienta el suelo
y vuelve a emitir calor lo cual restablece la circulacin normal en la troposfera.
Vientos
Los vientos son los desplazamientos de aire en la atmsfera. Su origen se
debe a la diferencia de presin entre reas anticiclnicas y ciclnicas, que son
emisoras y receptoras de viento respectivamente. Cuanto mayor es la diferencia
de presin, mayor ser la velocidad de los vientos. De esta forma tiende a
restablecerse el equilibrio de las masas de aire de la atmsfera.
Los vientos se caracterizan por no soplar en lnea recta ya que la rotacin de la
tierra les otorga un movimiento circular:
Hemisferio Norte: El viento sopla en el sentido de las agujas del reloj. Hemisferio Sur: El viento sopla en sentido contrario de las agujas del reloj.
De acuerdo a la duracin se clasifican en:
Permanentes: Soplan todo el ao en la misma direccin. Los vientos alisios se originan en los anticiclones ocenica permanentes cerca del los
30 de latitud en ambos continentes y se dirigen hacia los ciclones
ecuatoriales. Al pasar sobre los mares se cargan de humedad provocando
precipitaciones. Al llegar a estas zonas se calientan y elevan convirtindose
en contralisios que se desplazan en direccin opuesta. Otros vientos
permanentes son los occidentales en las latitudes medias y los vientos
polares.
9
Peridicos: Cambian de direccin de acuerdo a la estacin del ao o al momento del da. Durante el verano los vientos monzones se atrados por
los centros ciclnicos del centro de Asia y se originan en los anticiclones
ocenicos.
Son clidos y hmedos debido a su procedencia marina. Durante el
invierno el centro del continente se convierte en un centro anticiclnico que
emite vientos fros y secos hacia el mar. Otros vientos peridicos son las
brisas marinas. Diariamente soplan desde el mar, que est ms fresco,
hacia el continente durante el da y en direccin contraria durante la noche.
Locales: Soplan en una regin determinada todo el ao en la misma direccin. Son ejemplos caractersticos de nuestro pas los vientos
Pampero (fro y seco), Sudeste (fro y hmedo) y Zonda (clido y seco).
Humedad
La humedad es la cantidad de vapor de agua contenido en el aire. Su
existencia se debe principalmente a la evaporacin del agua existente en ros y
mares y en menor medida a la evapotranspiracin de plantas y animales. Ese
vapor asciende en la atmsfera hasta llegar a capas fras donde condensa
formando las nubes. Estas se componen de pequeas gotas de agua o agujas de
hielo.
Estas formaciones se sostienen gracias a la accin de corrientes de aire
ascendentes:
Cirros: Se ubican entre los 8.000 y 12,000 metros de altura. Son blancas y con forma de largos filamentos. Suelen preceder un descenso de la presin
atmosfrica.
Cmulos: Se ubican entre los 1.000 y 5.000 metros de altura. Son blancas y redondeadas. Suelen observarse en verano precediendo una tormenta.
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Nimbos: Se ubican entre los 200 y 2.000 metros de altura. Son oscuras y producen lluvias.
Estratos: Se ubican por debajo de los 600 metros de altura. Forman un manto uniforme formando capas superpuestas. Se observan en das
totalmente nublados.
Cuando el vapor de agua condensa cerca de la superficie terrestre recibe el
nombre de niebla, mientras que si lo hace sobre superficies acuticas se
denomina bruma.
El agua vuelve a la superficie terrestre por medio de las precipitaciones en
forma de lluvia o nieve, completando el ciclo del agua.
1.3 Estaciones meteorolgicas
Una estacin meteorolgica: Se emplean para estudiar y predecir el tiempo es
estado del tiempo, con este fin se construyen observatorios o estaciones
meteorolgicas. Actualmente se utilizan tecnologas muy complicadas y caras,
pero el estudio del clima tiene que contemplar siempre los siguientes factores:
La temperatura: Que se mide con el termmetro. Los termmetros tienen dos escalas: Celsius y Fahrenheit. Los europeos utilizamos la
primera, por eso despus del smbolo de grados () siempre vers la letra
C.
La presin atmosfrica: Es decir, el peso del aire. Para ello se utiliza el barmetro, que mide la presin en milibares.
Las precipitaciones: Pueden ser en forma de lluvia, de nieve o de granizo. El pluvimetro es un aparato que mide la cantidad de agua cada por metro
cuadrado (la cantidad de agua que cae en un cuadrado de un metro de
lado).
El viento: Del que nos interesa la velocidad (se mide con el anemmetro) y la direccin que lleva (se comprueba con la veleta).
11
En Mxico el encargado de las estaciones meteorolgicas es el Servicio Meteorolgico Nacional (SMN), el organismo encargado de proporcionar informacin sobre el estado del tiempo a escala nacional y local en nuestro pas,
depende de la Comisin Nacional del Agua (CNA), que forma parte de la
Secretara de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT).
Para llevar a cabo sus objetivos el Servicio Meteorolgico Nacional cuenta con la
red siguiente infraestructura de observacin:
Red sinptica de superficie, integrada por 72 observatorios meteorolgicos,
cuyas funciones son las de observacin y transmisin en tiempo real de la
informacin de las condiciones atmosfricas.
Red sinptica de altura. Consta de 15 estaciones de radio sondeo, cuya funcin es
la observacin de las capas altas de la atmsfera. Cada estacin realiza
mediciones de presin, temperatura, humedad y viento mediante una sonda que
se eleva por medio de un globo dos veces al da.
Todos los observatorios meteorolgicos (estaciones meteorolgicas) de la red
deben trabajar las 24 horas del da los 365 das del ao ininterrumpidamente, sin
embargo, por la falta de personal nicamente el 27 % labora de esta forma.
Todas las observaciones y registros se rigen a la normatividad establecida por La
OMM. En esta red se realizan mediciones de los elementos del tiempo atmosfrico
de la siguiente forma:
A nivel horario se llevan registros que son asentados en los formatos correspondientes.
Cada 3 horas, a tiempo real y por acuerdos internacionales, para ser transmitidas por diversos medios de comunicacin al Centro Nacional de
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Telecomunicaciones Meteorolgicas (CNTM), para su posterior retrasmisin
al Centro Meteorolgico Mundial de Washington (CMMW) para su difusin
mundial, as como a todos los usuarios nacionales.
Mensualmente con los registros horarios, se realiza un reporte de acuerdo a la normatividad de la OMM, el cual es transmitido al CNTM a ms tardar a
los 4 das siguientes de concluido el mes, para su retransmisin al CMMW
para ser difundida mundialmente.
La transmisin de la informacin se realiza cada 3 horas a tiempo real
(mensajes sinpticos), es decir se deben recibir 8 mensajes por da por cada
observatorio y de acuerdo al Tiempo del Meridiano de Greenwich (GMT). Las
horas en que se efectan las observaciones meteorolgicas y se envan los
informes sinpticos se mantienen constantes con respecto a la hora GMT a nivel
mundial, independientemente de los cambios que se den en el horario civil. Para
efectos de evitar confusiones, en las siguientes tablas se indican las variaciones
de la hora local de verano y de invierno con respecto a la hora GMT, para los
diferentes husos horarios que rigen el pas. En estas horas se reciben los reportes
en el CNTM para la disposicin de todos los usuarios.
Horarios de la trasmisin de mensajes sinpticos de la Pennsula de Baja California en Mxico.
Meridiano 120
Baja California
Hora del Meridiano de Greenwich (Hora de transmisin al CNTM)
Hora Local
Horario de Invierno Horario de Verano
00:00 Z 16:00 hrs. 17:00 hrs.
03:00 Z 19:00 hrs. 20:00 hrs.
06:00 Z 22:00 hrs. 23:00 hrs.
09:00 Z 01:00 hrs. 02:00 hrs.
12:00 Z 04:00 hrs. 05:00 hrs.
15:00 Z 07:00 hrs. 08:00 hrs.
18:00 Z 10:00 hrs. 11:00 hrs.
21:00 Z 13:00 hrs. 14:00 hrs. Tabla 2 fuente SMN (2000)
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Horarios de la trasmisin de mensajes sinpticos de la regin noroeste de Mxico.
Meridiano 105
Baja California Sur, Sonora, Sinaloa, Nayarit
Hora del Meridiano de Greenwich (Hora de transmisin al CNTM)
Hora Local
Horario de Invierno Horario de Verano
00:00 Z 17:00 hrs. 18:00 hrs.
03:00 Z 20:00 hrs. 21:00 hrs.
06:00 Z 23:00 hrs. 00:00 hrs.
09:00 Z 02:00 hrs. 03:00 hrs.
12:00 Z 05:00 hrs. 06:00 hrs.
15:00 Z 08:00 hrs. 09:00 hrs.
18:00 Z 11:00 hrs. 12:00 hrs.
21:00 Z 14:00 hrs. 15:00 hrs.
Tabla 3 Fuente SMN (2000)
Horarios de la trasmisin de mensajes sinpticos para el resto del pas Meridiano 90
Resto del pas
Hora del Meridiano de Greenwich (Hora de transmisin al CNTM)
Hora Local
Horario de Invierno Horario de Verano
00:00 Z 18:00 hrs. 19:00 hrs.
03:00 Z 21:00 hrs. 22:00 hrs.
06:00 Z 00:00 hrs. 01:00 hrs.
09:00 Z 03:00 hrs. 04:00 hrs.
12:00 Z 06:00 hrs. 07:00 hrs.
15:00 Z 09:00 hrs. 10:00 hrs.
18:00 Z 12:00 hrs. 13:00 hrs.
21:00 Z 15:00 hrs. 16:00 hrs. Tabla 4 Fuente: SMN, (2000) La eleccin de montajes de las estaciones, con el fin de que puedan ser
considerados los datos representativos es fundamental, dado que en los valores
que toman las variables meteorolgicas influye, adems de la latitud y la altitud, la
14
distancia al mar, la topografa del lugar, la proximidad de grandes masas de agua,
relieve accidentado, vegetacin, barreras o cortinas arbreas, edificaciones etc.
La estacin debe situarse con independencia de encontrarse en la zona baja
de un valle, en una cumbre o en una zona de pendiente acusada, en un lugar
despejado.
Una pradera una huerta o un amplio patio puede ser un buen emplazamiento,
siempre que los rboles, muros, o edificios prximos a la estacin disten de sta
como mnimo una distancia igual a la altura de los obstculos. No conviene situar
la estacin en campos totalmente despejados ni en terrazas, ni en tejados, debido
a que estos sitios estn expuestos a fuertes rachas de viento, que producen
remolinos de aire y en consecuencia se altera la medida de la lluvia.
Estacin Meteorolgica Automtica Es un conjunto de dispositivos elctricos y mecnicos que realizan mediciones
de las variables meteorolgicas de forma automtica (sobre todo en forma
numrica).
Una Estacin Meteorolgica Automtica, est conformada por un grupo de
sensores que registran y transmiten informacin meteorolgica de forma
automtica de los sitios donde estn estratgicamente colocadas. Su funcin
principal es la recopilacin y monitoreo de algunas variables Meteorolgicas
para generar archivos del promedio de cada 10 minutos de todas las variables,
esta informacin es enviada va satlite en intervalos de 1 3 horas por estacin.
La hora que se utiliza para registrar los datos es el horario TUC UTC
(Tiempo Universal Coordinado) por esta razn deber tener en consideracin
este factor para la correcta interpretacin de los datos anteriores de las tablas.
El rea representativa de las estaciones es de 5 km de radio aproximadamente,
en terreno plano, excepto en terreno montaoso.
15
Sensores que integran la Estacin: - Velocidad del viento
- Direccin del viento
- Presin atmosfrica
- Temperatura y Humedad relativa
- Radiacin solar
- Precipitacin
Existen dos tipos de estructura donde van montadas las estaciones: La de tipo
andamio y de tipo torre triangular, que se pueden observar en la siguiente figura
Figura 4. Fuente: SMN, (2000)
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Estaciones meteorolgicas atmosfricas (EMAs) en la regin central de Mxico. Hay 25 en el Estado de Mxico, Hidalgo, Tlaxcala y Distrito Federal.
Tabla de Localizacin de EMAs en la zona centro de Mxico
ESTADO NOMBRE Latitud Longitud Altitud
DISTRITO FEDERAL EL GUARDA 1909'17'' 9904'44'' 2946 DISTRITO FEDERAL LA AGRARIA 1916'27" 9909'29" 2272
ESTADO DE MXICO ACOLMAN 1938'05" 9854'42" 1993
ESTADO DE MXICO AMECAMECA 1907'55" 9847'10"
2460
ESTADO DE MXICO ARCOS DEL SITIO 1945'59" 9920'36" 2356
ESTADO DE MXICO CHAPINGO 1929'39" 9853'19" 2260
ESTADO DE MXICO IXTAPALUCA 1919'52'' 9852'40'' 2272
ESTADO DE MXICO LAGUNA DE ZUMPANGO 1948'28'' 9907'51'' 2262
ESTADO DE MXICO MANUEL VILA CAMACHO 1919'13" 9845'20" 2958
ESTADO DE MXICO PRESA GUADALUPE 1938'01" 9915'03" 2313
ESTADO DE MXICO OTUMBA 1941'17" 9845'27" 2384
ESTADO DE MXICO SAN MIGUEL ATLAMAJAC 1944'56" 9855'55" 2316
ESTADO DE MXICO TEPEATLOXTOC 1934'09" 9849'29" 2320
ESTADO DE MXICO TEQUIXQUIAC 1954'15" 9917'30" 2266
HIDALGO ACTOPAN 2016'50'' 9858'21'' 1993 HIDALGO IROLO 19 45'36" 98 35'26" 2464 HIDALGO IXMIQUILPAN 2029'46'' 9910'52'' 2272 HIDALGO LAGUNA DE TECOCOMULCO 1952'21'' 9824'15'' 2547 HIDALGO MIXQUIAHUALA 2013'46'' 9912'55'' 2009 HIDALGO PRESA ROJO GMEZ 2021'34" 9919'07" 1996 HIDALGO TAXHIMAY 1950'14" 9923'02" 2256 HIDALGO TEZONCUALPA 1957'57" 9816'29" 2519 HIDALGO TEZONTEPEC 1952'42" 9849'12" 2344 HIDALGO TULA DE LAS ROSAS 2003'24" 9920'54" 2054
TLAXCALA SANCTORUM 1929'25" 9828'18" 2767
Tabla 5. Fuente: SMN, (2000)
17
1.4 Los instrumentos meteorolgicos.
Barmetro de mercurio: Instrumento utilizado para medir la presin atmosfrica. Pueden ser de ramas iguales o desiguales y en este ltimo caso de
cubeta fija y cero mvil o de cubeta mvil y cero fijo.
Se coloca en el interior de la estacin meteorolgica, ya que no puede estar
expuesto al sol, ni a la corriente de aire. Deben colocarse sobre paredes por las
que no pasen caeras y debe estar a una altura en la que sea fcil medir y
completamente vertical. Para medir la presin el primer paso es llevar el mercurio
de la cubeta, mediante un tornillo, hasta el extremo de un ndice de marfil (es el 0
de la escala).Este procedimiento se llama enrase. Luego se debe ajustar el vernier
de manera que apenas toque el menisco que forma el mercurio. Paralelamente se
debe medir la temperatura del termmetro adjunto.
Todo esto debe realizarse rpidamente para que el calor de nuestro cuerpo no
incida en la medicin. Una vez ledo el dato de presin se deben hacer algunas
correcciones: Por temperatura, ya que la altura del mercurio vara con la
temperatura, al igual que la escala (esta se hace de invar que es un material poco
dilatable). Por gravedad (reducir a 45 de latitud y 0 metros).
Barmetro aneroide: Mide la presin atmosfrica. Se coloca en el interior de la estacin meteorolgica
Bargrafo: mide la presin atmosfrica y registra su variacin a travs del tiempo - Tendencia baromtrica- se instala a la sombra, sobre una repisa sin vibraciones.
Para evitar la dilatacin de las cpsulas por efecto de la temperatura, se utiliza un
bimetlico, es decir dos metales cuyos coeficientes de dilatacin se complementan
de manera que la aguja quede en su lugar y no se vea afectada por los cambios
de temperatura.
18
Termmetro: registra la temperatura. Se coloca en el interior del abrigo meteorolgico con su bulbo a una altura entre 1,5 y 2 metros de altura
Termmetro de mxima: registra la temperatura ms alta del da. Se coloca dentro del abrigo meteorolgico en un soporte adecuado, con su bulbo inclinado
hacia abajo formando un ngulo de 2 con la horizontal. Luego de la lectura, para
volver a ponerlo a punto se debe sujetar firmemente por la parte contraria al
depsito y sacudirlo con el brazo extendido (maniobra similar a la que realizamos
para bajar la temperatura de un termmetro clnico)
Termmetro de mnima: registra la temperatura ms baja del da. Se coloca dentro del abrigo meteorolgico en un soporte adecuado en forma horizontal.
Luego de la lectura se debe poner nuevamente el ndice en contacto con la
superficie libre del alcohol.
Termmetros de suelo: Se utilizan para medir la temperatura del suelo y a distintas profundidades. Se recomienda que todo el termmetro est sumergido
para evitar el error por columna emergente. Los termmetros que miden distintas
profundidades se colocan dentro de un compartimento de plstico, cermica o
cualquier material que adquiera la temperatura de la tierra.
Psicrmetro: Mide la humedad relativa. Hay dos tipos de psicrmetros los de ventilacin forzada y los de ventilacin natural. Me referir a este ltimo. Este
instrumento se coloca en un soporte dentro del abrigo meteorolgico. El acceso a
la humedad relativa, tensin de vapor y punto de roco se hace mediante tablas,
ingresando a las mismas con los datos de las lecturas de ambos termmetros.
Termgrafo: Grafica la temperatura a travs del tiempo. Se coloca en el interior del abrigo meteorolgico.
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Higrgrafo: Grafica la humedad a travs del tiempo. Se coloca en el interior del abrigo meteorolgico. El haz de cabellos se debe limpiarse con agua destilada.
Anemmetro: Pueden ser de coperolas, de hlice, de tubo pitot, elctricos. Me referir al primero de ellos (de coperolas) por ser el ms usado. Se coloca lejos de
obstculos, en general a 10 metros de altura.
Anemocinemgrafo: Este instrumento registra en una faja la direccin y velocidad del viento. El sensor de velocidad puede ser de cope rolas o puede
utilizar el sistema de tubo pitot. El sensor de direccin es una veleta. Los
sensores se colocan a 10 metros de altura, alejado de obstculos
Veleta: Mide la direccin del viento. El sensor se coloca a 10 metros de altura, alejado de obstculos
Pluvimetro: Mide la cantidad de agua cada. Se coloca sobre piso de csped bien cortado para evitar salpicaduras y la distancia a cualquier objeto cercano
debe ser de por lo menos 4 veces su altura. La boca del pluvimetro debe estar
perfectamente horizontal. A veces, para evitar la turbulencia del viento se le coloca
una especie de pollerita al cuerpo del instrumento. La observacin se hace cada
24 horas. El agua se trasvasa a una probeta de tipo pirex graduada en mm de
precipitacin.
Fluvigrafo: Registra la cantidad de agua cada y el tiempo durante el que ha cado. Las caractersticas de instalacin de este instrumento coinciden con las del
pluvimetro. Para medir la lluvia slo deben sumarse las ramas ascendentes del
registro de la faja. En el caso del fluvigrafo de cangilones se deben sumar tanto
las subidas como las bajadas de la curva graficada en la faja.
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Evapormetro o atmmetro: Mide la evaporacin potencial. Se coloca en el interior del abrigo meteorolgico. Est graduado en mm en graduacin creciente
de arriba a abajo.
Tanque de evaporacin: Como el viento tambin influye en la evaporacin, se coloca un anemmetro totalizador que marca la cantidad de km o metros que
recorri una partcula en el da. Adems es conveniente conocer la temperatura
del agua
Piranmetros y pirhelimetros Miden la radiacin solar difusa y directa. Se mide en caloras por centmetro cuadrado y minuto, o en vatios por metro cuadrado.
Equivalencia: 1 cal /cm2 min = 696,67 W/m2
Heliofangrafo: Mide la duracin de la insolacin. Si el sol brilla durante todo el da se forma un trazo carbonizado continuo, si el sol brilla de manera intermitente,
el trazo ser discontinuo. En este caso, la duracin de la insolacin se determina
sumando las longitudes de las partes carbonizadas.
Transmismetro: Mide la visibilidad. Se basa en la atenuacin que se produce en un haz de luz por la presencia de partculas en la atmsfera. Se compone de una
fuente de luz y un receptor colocados a una distancia conocida (75 metros). La
cantidad de luz que llega al receptor se traduce en fuerza electromotriz. Algunos
de estos instrumentos se pueden observar en las figuras 5,6 y 7.
21
Instrumentos en el interior del abrigo meteorolgico
Figura 5. Fuente: SMN, (2000)
Otros Instrumentos
Figura 6. Fuente: SMN, (2000)
22
Otros instrumentos
Figura 7. Fuente: SMN, (2000)
23
Capitulo 2. Contaminacin de la atmsfera. Objetivo educacional. Obtendr los conocimientos bsicos sobre el transporte y dispersin de contaminantes atmosfricos y la aplicacin de software para la
simulacin de la dispersin.
2.1 Concepto.
Se entiende por contaminacin atmosfrica como la presencia en el aire de materias o formas de energa que impliquen riesgo, dao o molestia grave para las
personas y bienes de cualquier naturaleza, as como que puedan atacar a distintos
materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables.
El nombre de la contaminacin atmosfrica se aplica por lo general a las
alteraciones que tienen efectos perniciosos en los seres vivos y los elementos
materiales, y no a otras alteraciones inocuas. Los principales mecanismos de
contaminacin atmosfrica son los procesos industriales que implican combustin,
tanto en industrias como en automviles y calefacciones residenciales, que
generan dixido y monxido de carbono, xidos de nitrgeno y azufre, entre otros
contaminantes. Igualmente, algunas industrias emiten gases nocivos en sus
procesos productivos, como cloro o hidrocarburos que no han realizado
combustin completa.
La contaminacin es uno de los problemas ambientales ms importantes que
afectan a nuestro mundo y surge cuando se produce un desequilibrio, como
resultado de la adicin de cualquier sustancia al medio ambiente, en cantidad tal,
que cause efectos adversos en el hombre, en los animales, vegetales o materiales
expuestos a dosis que sobrepasen los niveles aceptables en la naturaleza.
24
2.2 Fuentes de contaminacin La contaminacin puede surgir a partir de ciertas manifestaciones de la
naturaleza (fuentes naturales) o bien debido a los diferentes procesos productivos
del hombre (fuentes antropognicas) que conforman las actividades de la vida
diaria. Por otra parte el flujo de la contaminacin tiene una ruta bien identificada
que se describe en la figura 8.
Flujo de la contaminacin atmosfrica
Figura 8 Fuente: SEMARNAT
Los contaminantes que el hombre libera hacia la atmsfera en mayor medida,
provienen de la combustin de carburantes fsiles, y podramos clasificarlos en
tres grupos principales:
1) Actividades industriales, como las dedicadas a la obtencin de energa: liberan xidos de nitrgeno, azufre, y en menor medida plomo metlico.
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2) Actividades domsticas, como la combustin por sistemas de calefaccin: liberan mayormente xidos de azufre, y de nitrgeno en menor medida
3) Transportes, como los de combustin interna: liberan xidos de nitrgeno y plomo, y xidos de azufre en menor cantidad.
Con frecuencia se han clasificado genricamente las fuentes de emisin de
agentes contaminantes en la troposfera considerando su localizacin fija o mvil.
As, se habla de:
a) Fuentes mviles, incluyen a los diversos tipos de vehculos de motor utilizados en el transporte: Los aviones, helicpteros, ferrocarriles,
tranvas, tractocamiones, autobuses, camiones, automviles,
motocicletas, embarcaciones, equipo y maquinarias no fijas con motores
de combustin y similares, que por su operacin generen o puedan
generar emisiones contaminantes a la atmsfera.
Si bien la definicin de fuente mvil incluye prcticamente a todos los
vehculos automotores, la NOM para fuentes fijas se refiere bsicamente a
las emisiones de automviles y camiones. Los motores de los vehculos
son los responsables de las emisiones de CO, de compuestos orgnicos
voltiles, SO2, y NOx, producidos durante la combustin.
b) Fuentes fijas: As denominadas, por actuar permanentemente sobre un sitio o regin, es decir, por estar ah establecidas. Estn constituidas por
fbricas, comercios, talleres metalrgicos, incineradores, fundiciones, etc.
y producen una considerable contaminacin, no solo por el uso de
combustibles sino por la emisin de vapores solventes orgnicos, o de
productos qumicos contaminantes.
Las fuentes fijas son las ms dainas, stas actan sobre todas las reas
de la biosfera y producen, tanto emisiones de humos, polvos, gases,
ruidos y radiaciones; como descargas de aguas residuales o desechos
26
slidos que afectan, por igual, el aire, los diversos cuerpos receptores de
agua o la tierra, por deterioro superficial, filtracin o acarreo. Una emisin
de humos y polvos puede no ser por si misma necesariamente peligrosa;
para serlo deber tener una densidad y un volumen tales, durante cierto
lapso, que las condiciones atmosfricas no sean suficientes para diluirla o
dispersarla en un perodo de tiempo dado, hacindola inocua.
La peligrosidad se inicia, precisamente, a partir del momento en que la
cantidad de elementos no deseables emitidos, rebasa la capacidad natural
de dispersin, transformacin o anulacin, creando, por lo tanto una
concentracin que rompe el equilibrio. En la tabla 6 se puede observar el
tipo de fuente contaminante, ya sea fija o mvil y las emisiones que se
generan por accin de stas.
Lo anterior es consecuencia de la tendencia de agrupar en ciertas
reas; en especial las urbanas, los contaminantes que emitidos por la
fuentes fijas, no pudieron ser desplazados por la circulacin atmosfrica y
a los que se unen los provenientes de las fuentes mviles y de las
naturales.
Fuentes antropognicas de emisiones atmosfricas
Fuentes antropognicas Contaminantes
Fijas Procesos industriales
Dixido de azufre, Hidrocarburos voltiles,
Partculas carbonosas, Anhdrido sulfuroso,
xidos de nitrgeno (NOx),Dixido de
carbono (CO2) Metales pesados
Mviles
Quema de
combustibles fsiles
vehculos y
aeronaves
Monxido de carbono (CO),xidos de
nitrgeno (NOx),
Hidrocarburos (HC), Compuestos de plomo.
Tabla 6 Fuente: Gestin-calidad/riesgo
27
Las caractersticas fsicas como el tamao de las partculas, la composicin
qumica, as como el origen de stas determinan en gran medida la actividad
reactiva, as como las posibles afectaciones que stas generan al ambiente y los
seres vivos. A continuacin en la tabla 7, se muestran algunos de los
contaminanates ms persistente su estado fsica y sus fuentes
Descripcin de los principales contaminantes qumicos y sus fuentes
Contaminante Formacin Estado fsico Fuentes Partculas en
suspensin (PM), PM10, Humos negros
Primaria y secundaria Slido, lquido Vehculos, procesos industriales, humo de tabaco
SO2 Primaria gas Procesos industriales, vehculos
NO2 Primaria y secundaria gas Vehculos, estufas de cocina de gas.
CO Primaria gas Vehculos, combustiones interiores, humo de tabaco
COVs Primaria y secundaria gas Combustiones interiores
Pb Primaria Slido partculas finas Vehculos, industria O3 Secundaria gas Vehculos (secundario
o foto-oxidacin de NO2 y COVs
Tabla 7 Fuente: SEMARNAT PM10 : Partculas con tamao inferior a 10 um.
2.3 Tipos de contaminantes.
Existen distintas formas para clasificar a los contaminantes. Segn su origen,
se distinguen los naturales y los antropognicos. Los primeros se deben a los fenmenos en los cuales no interviene el hombre, por ejemplo: erupciones,
incendios accidentales, produccin de gases en pantanos, diseminacin de polen
por el viento, etc. En cambio, los antropognicos se derivan de las actividades del
hombre.
28
Los contaminantes tambin se clasifican en primarios y secundarios, segn sean arrojados tal cual a la atmsfera, o bien se forme en ella debido a las
reacciones qumicas resultado de la presencia de diversos compuestos y a la
accin de la luz solar. (Jimnez, 2008)
Otra clasificacin es por su estado fsico, es decir por el tamao de las partculas contaminantes en este caso los contaminantes se agrupan en las siguientes familias:
Compuestos inorgnicos de carbono Compuestos derivados del azufre Hidrocarburos Compuestos del nitrgeno Oxidantes fotoqumicos Metales Partculas
2.4 Efectos de la contaminacin en la salud humana
El aire que respiramos est formado por muchos componentes qumicos. Los
componentes primarios del aire son el nitrgeno (N2), oxgeno (O2) y vapor de
agua (H2O). En el aire tambin se encuentran pequeas cantidades de muchas
otras sustancias, incluidas el Dixido de carbono, Argn, Nen, Helio, Hidrgeno y
Metano.
Componentes primarios del aire y otras sustancias
Figura 9. Fuente: www.cepis.org
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Las actividades humanas han tenido un efecto perjudicial en la composicin
del aire. La quema de combustibles fsiles y otras actividades industriales han
cambiado su composicin debido a la introduccin de contaminantes, incluidos el
el dixido de azufre (SO2), monxido de carbono (CO), compuestos orgnicos
voltiles (COV), xidos de nitrgeno (NOx) y partculas slidas y lquidas
conocidas como material particulado. Aunque todos estos contaminantes pueden
ser generados por fuentes naturales, las actividades humanas han aumentado
significativamente su presencia en el aire que respiramos.
Nube de contaminantes de origen natural y antropognico
Figura 10 Fuente: www.cepis.org
Los contaminantes del aire pueden tener un efecto sobre la salud y el bienestar
de los seres humanos. Un efecto se define como un cambio perjudicial
mensurable u observable debido a un contaminante del aire. Un contaminante
puede afectar la salud de los seres humanos, as como la de las plantas y
animales. Los contaminantes tambin pueden afectar los materiales no vivos
como pinturas, metales y telas.
30
Ciudad industrializada con nubes de contaminacin
Figura 11 Fuente: energyconsulting.files.com Cmo la contaminacin del aire afecta nuestra salud? La contaminacin del aire tiene un efecto directo sobre la salud humana. En
casos extremos, ha causado muertes como resultado de la combinacin de
caractersticas geogrficas inusuales con factores climticos. Por ejemplo, el
episodio de contaminacin del aire en Donora, Pennsylvania, en los Estados
Unidos en 1948 ocasion 20 muertes y ms de 5,000 enfermos. Esto es un
ejemplo de los graves efectos adversos que resultan del exceso de poblacin y de
industrias, junto con ciertos factores geogrficos y meteorolgicos en un rea
concentrada. Ver figura 11.
La exposicin a contaminantes del aire puede causar efectos agudos (a corto
plazo) y crnicos (a largo plazo) en la salud. Usualmente, los efectos agudos son
inmediatos y reversibles cuando cesa la exposicin al contaminante. Los efectos
agudos ms comunes son la irritacin de los ojos, dolor de cabeza y nuseas.
A veces los efectos crnicos tardan en manifestarse, duran indefinidamente y
tienden a ser irreversibles. Los efectos crnicos en la salud incluyen la disminucin
de la capacidad pulmonar y cncer a los pulmones debido a un prolongado
31
perodo de exposicin a contaminantes txicos del aire, tales como el asbesto y
berilio.
El sistema respiratorio y la contaminacin del aire Aunque los contaminantes pueden afectar a la piel, ojos y otros sistemas del
cuerpo, el ms perjudicado es el sistema respiratorio. Las siguiente figura (12)
muestra los componentes de este sistema. El aire se inhala por la nariz que acta
como el sistema filtrante primario del cuerpo.
La contaminacin del aire afecta principalmente al sistema respiratorio
Figura 12. Fuente: www.cepis.org
Los pelos pequeos y las condiciones calientes y hmedas de la nariz
eliminan eficazmente las partculas contaminantes de mayor tamao. Luego el aire
pasa por la faringe, y laringe antes de llegar a la parte superior de la trquea.
La trquea se divide en dos partes, los bronquios izquierdo y derecho.
Cada bronquio se subdivide en compartimentos cada vez ms pequeos llamados
bronquiolos que contienen millones de bolsas de aire llamados alveolos. Los
bronquiolos y alveolos, constituyen los pulmones. Los contaminantes de aire, tanto
gaseosos como particulados, pueden tener efectos negativos sobre los pulmones.
32
Las partculas slidas se pueden impregnar en las paredes de la trquea,
bronquios y bronquiolos. La mayora de estas partculas se eliminan de los
pulmones mediante la accin de limpieza (barrido) de los cilios, pequeos
filamentos de las paredes de los pulmones. Esto es lo que ocurre cuando se tose
o estornuda. Una tos o estornudo transporta las partculas a la boca. Las
partculas se eliminan cuando son ingeridas o expulsadas del cuerpo. Sin
embargo, las partculas sumamente pequeas pueden alcanzar los alveolos,
donde a menudo toma semanas, meses o incluso aos para que el cuerpo las
elimine.
Los contaminantes gaseosos del aire tambin pueden afectar la funcin de
los pulmones mediante la reduccin de la accin de los cilios. La respiracin
continua de aire contaminado disminuye la funcin de limpieza normal de los
pulmones, lo que puede ocasionar que gran nmero de partculas lleguen a las
partes inferiores del pulmn. Ver figura 13.
Resulta difcil para los pulmones remover las partculas sumamente pequeas
Figura 13. Fuente: www.cepis.org
33
Los pulmones son los rganos responsables de absorber el oxgeno del aire
y remover el dixido de carbono del torrente sanguneo. El dao causado a los
pulmones por la contaminacin del aire puede imposibilitar este proceso y
contribuir a la aparicin de enfermedades respiratorias como la bronquitis,
enfisema y cncer. Tambin puede afectar el corazn y el sistema circulatorio.
Contaminacin del aire
La contaminacin del aire ocurre tanto en exteriores (ambiental) como en
interiores. Los efectos de la contaminacin del aire sobre la salud varan
enormemente de persona en persona. Los ms afectados por la contaminacin del
aire son los ancianos, lactantes, mujeres embarazadas y enfermos crnicos del
pulmn y corazn, figura 14. Las personas que hacen ejercicios al aire libre
tambin estn propensas pues respiran ms rpida y profundamente, lo que
permite el ingreso de ms contaminantes a los pulmones. Los corredores y
ciclistas que se ejercitan en reas de gran trnsito se pueden estar causando ms
dao que beneficio.
Personas ms afectadas por la contaminacin atmosfrica
Figura 14. Fuente: www.cepis.org
34
El smog fotoqumico (niebla fotoqumica) es un trmino de la
contaminacin del aire que se usa diariamente. En realidad, el smog fotoqumico
es ozono a nivel del suelo formado por la reaccin de los contaminantes con la luz
solar. ste tiene un efecto perjudicial sobre la salud de los grupos de alto riesgo
mencionados anteriormente. En las ciudades de Mxico, Santiago y Sao Paulo,
por ejemplo, los peridicos y emisoras de radio informan diariamente ndices de la
calidad del aire para alertar a las personas en riesgo que se encuentran al aire
libre. Estos ndices son una medida de los niveles de contaminantes y partculas
en el aire.
Efectos indirectos de la contaminacin del aire
La posibilidad cada vez ms creciente de contraer cncer de piel es un
efecto indirecto de la contaminacin del aire sobre la salud. Aunque el ozono en la
atmsfera inferior es perjudicial para el ambiente, en la atmsfera superior es
necesario para proteger a la tierra de la nociva radiacin ultravioleta.
Esta capa protectora se est daando debido a la descarga masiva de
clorofluorocarbonos (CFC) en la atmsfera. Estos compuestos se usan
comnmente en refrigeradores y aparatos de aire acondicionado y como gas en
atomizadores de aerosol.
Contaminacin del aire en interiores Los efectos de la contaminacin del aire en interiores han recibido mayor
atencin en los ltimos aos porque es all donde las personas pasan casi 90 por
ciento de su tiempo. Diversos estudios han indicado que la exposicin a algunos
contaminantes puede ser dos a cinco veces mayor en interiores que al aire libre.
Hay muchos tipos de contaminantes de interiores, tales como el humo de los
artefactos, chimeneas y cigarrillos; contaminantes orgnicos de las pinturas,
colorantes, limpiadores y materiales de construccin; y el radn.
35
La contaminacin en interiores puede ser de dos a cinco veces mayor que al aire libre
Figura 15 Fuente: www.cepis.org
El radn es un gas que se presenta de forma natural, no tiene olor ni color
y es radiactivo. Sus efectos sobre la salud humana son importantes porque es el
segundo factor, despus del cigarrillo, que produce cncer al pulmn.
Afortunadamente, los niveles de radn se pueden reducir con la circulacin del
aire y ventilacin adecuada.
Los contaminantes criterio son aquellos para los cuales se han
establecido normas nacionales de calidad del aire. Los contaminantes criterio son
el monxido de carbono, ozono, xidos de azufre, material particulado, xidos de
nitrgeno y plomo. Los contaminantes peligrosos incluyen varios compuestos
orgnicos voltiles, asbesto, cloruro de vinilo y mercurio, entre otros.
La contaminacin del aire tiene un efecto perjudicial sobre casi todas las
fases de nuestras vidas. Adems de los efectos sobre la salud tratados
anteriormente, hay muchos otros efectos secundarios sobre la vegetacin, suelo,
agua, materiales hechos por el hombre, clima y visibilidad.
36
Ozono
Desde 1970 se ha estudiado los efectos de la contaminacin del aire
sobre los cultivos, rboles y otro tipo de vegetacin. Las investigaciones de campo
y experimentos de invernadero han revelado que el ozono es txico para las
plantas y puede destruir variados cultivos comerciales, ver figura 16. Existen
pruebas de que el incremento de radiacin ultravioleta debido a la prdida de
ozono en la atmsfera superior est afectando el ciclo de crecimiento normal de
las plantas.
El ozono es txico para las plantas
Figura 16 www.cepis.org
Lluvia cida.
De igual modo, la lluvia cida afecta cultivos como la avena, alfalfa,
guisantes, zanahorias, y tambin reas forestales; ha recibido mucha atencin a
nivel internacional. Se forma cuando los contaminantes del aire, tales como el
dixido de azufre (SO2) y xidos de nitrgeno (NOx) se transforman en cidos en
la atmsfera.
37
Posteriormente, la precipitacin resultante (lluvia, nieve o niebla) deposita los
cidos en lagos y suelos. El control de la lluvia cida se ha convertido en una
preocupacin internacional, ya que a menudo la fuente de estos contaminantes se
encuentra alejada del lugar donde se registran los efectos. Los efectos de la
contaminacin del aire.
Las investigaciones han indicado que sta acidez puede destruir o daar
la fauna silvestre de lagos y arroyos, y tambin las construcciones hechas por el
hombre, tales como los edificios y monumentos al aire libre. Las estatuas antiguas de Grecia e Italia han sido daadas considerablemente por la lluvia cida. Ver
figura 17.
Afectaciones a monumentos histricos por efectos de la lluvia cida
Figura 17 Fuente: http://estadosunidos.pordescubrir.com/
Visibilidad
La contaminacin del aire tambin afecta la visibilidad. Esto ha dado lugar
a problemas relacionados con la seguridad de la operacin de los aviones y la
destruccin de paisajes naturales. Por ejemplo, la visibilidad del Gran Can en
los Estados Unidos ha sido afectada por la contaminacin del aire generada por el
hombre a cientos de kilmetros de distancia.
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Calentamiento de la atmsfera
Existen pruebas de que la contaminacin del aire contribuye al
calentamiento de la atmsfera o al efecto invernadero. La quema de combustibles
fsiles emite demasiado dixido de carbono a la atmsfera.
Normalmente, el dixido de carbono no es peligroso ya que es un alimento
necesario para las plantas, pero la cantidad que se produce es mucho mayor que
la requerida por la vegetacin.
El dixido de carbono forma un manto sobre la superficie de la tierra y
atrapa el calor reflejado del suelo. El efecto es similar al de un automvil cerrado o
un invernadero, de all el trmino de efecto invernadero como se ejemplifica en la
figura 18.
Los cientficos han pronosticado que en los prximos cincuenta aos el
calentamiento del planeta podra elevar la temperatura tres a nueve grados ms
que los promedios actuales. Los efectos de la contaminacin del aire como se ha
visto, la contaminacin del aire afecta nuestras vidas en muchos aspectos. Las
fuentes primarias de contaminacin del aire son las fbricas y las comodidades
modernas de las que dependemos para el crecimiento econmico y estilo de vida.
Equilibrar el desarrollo econmico con la necesidad de proteger a la poblacin de
los riesgos de la contaminacin del aire sobre la salud y el bienestar es un reto
que enfrentan los pases.
En el efecto invernadero el CO2 la disipacin del calor y contaminantes
Figura 18 Fuente: www.cepis.org
39
Capitulo 3. Transporte y dispersin de contaminantes atmosfricos
Objetivo Educacional. Obtener los conocimientos bsicos sobre el transporte y dispersin de contaminantes atmosfricos y la aplicacin de software para la
simulacin de la dispersin.
3.1 Conceptos bsicos En general, la concentracin de contaminantes disminuye a medida que se
alejan del punto de descarga y son dispersados por el viento y otras fuerzas
naturales. Las variaciones del clima influyen en la direccin y dispersin general
de los contaminantes.
La dispersin y transporte de contaminantes pueden estar afectados por
factores climticos y geogrficos. Un ejemplo es la inversin trmica. Como se
mencion anteriormente, la inversin trmica es una condicin atmosfrica
causada por una interrupcin del perfil normal de la temperatura de la atmsfera.
La inversin trmica puede retener el ascenso y dispersin de los contaminantes
de las capas ms bajas de la atmsfera y causar un problema localizado de
contaminacin del aire. Los episodios que tuvieron lugar en Londres, Inglaterra, y
Donora, Pennsylvania, fueron el resultado de inversiones trmicas.
La proximidad de una gran rea metropolitana a una cadena de montaas
tambin puede tener un efecto negativo sobre el transporte y dispersin de
contaminantes, como lo es el centro del pas.
La calidad de aire en una zona, y como consecuencia de los efectos
inducidos sobre la misma, son funcin directa de la cuanta de emisin y de los
fenmenos de circulacin que tengan lugar en la atmsfera sobre los penachos
que conforman los gases y las partculas emitidas por un foco contaminante.
40
La mecnica clsica establece que conociendo la posicin y velocidad
de las partculas de un sistema en un determinado instante, es posible deducir el
comportamiento ulterior de las mismas.
Ahora bien, cuando se trata de analizar sistemas compuestos de miles o
millones de partculas, como es el caso en un efluente gaseoso, es imposible
acceder a esa cantidad de datos y procesarlos. Lo que se hace en estos casos es
involucrar en el clculo magnitudes fsicas que reflejen el estado del sistema como
un todo, sin ser indicativo de la situacin de cada partcula. As si se dice que una
masa de gas tiene una temperatura de 20C, eso no quiere decir que cada
partcula tenga esa temperatura. Solo podemos afirmar que el intercambio de calor
entre las partculas y el termmetro hace que el mismo se comporte como si
hubiera entrado en contacto con una masa uniforme con todas sus partculas a
20C. El mismo razonamiento puede aplicarse al resto de las magnitudes fsicas
como presin, velocidad, etc.
Para predecir el comportamiento de ese sistema no uniforme a partir de
datos globales, se aplica un modelo matemtico que se crea tomando estos datos
globales y suposiciones acerca del comportamiento de las partculas. El modelo
ser efectivo si no se contradice con los experimentos realizados.
En el caso de un efluente gaseoso, el modelo describe como se
dispersa el efluente en la atmsfera de acuerdo a determinados parmetros de
salida del conducto (velocidad, caudal, tipo de efluente, temperatura, presin,
etc.).
3.2 Circulacin global de los contaminantes
El transporte y dispersin de contaminantes del aire estn influenciados
por complejos factores. Las variaciones globales y regionales del clima y las
condiciones topogrficas locales afectan el transporte y dispersin de los
contaminantes.
41
Esta seccin trata sobre los factores bsicos que influyen el movimiento de
los contaminantes en el aire. En una escala mundial, las variaciones del clima
influyen sobre el movimiento de los contaminantes. Por ejemplo, la direccin
predominante de los vientos en Centroamrica y norte de Sudamrica es de este a
oeste y en Norteamrica y sur de Sudamrica es de oeste a este. En un nivel ms
local, los principales factores del transporte y dispersin de partculas en la
atmsfera son el viento y la temperatura.
La dispersin de contaminantes de una fuente depende de la cantidad de
turbulencia en la atmsfera cercana. La turbulencia puede ser creada por el
movimiento horizontal y vertical de la atmsfera. El movimiento horizontal es lo que comnmente se llamamos viento.
La velocidad del viento puede afectar en gran medida la concentracin de
contaminantes en un rea. Mientras mayor sea la velocidad del viento, menor ser
la concentracin de contaminantes en una zona determinada. El viento diluye y
dispersa rpidamente los contaminantes en el rea circundante.
El viento es causado por las diferencias en la presin atmosfrica. La presin
es el peso de la atmsfera en un punto dado. La altura y temperatura de una
columna de aire determinan el peso atmosfrico.
Debido a que el aire fro pesa ms que el caliente, la masa de alta presin est constituida de aire fro y pesado. Por el contrario, una masa de baja presin
de aire est formada por aire ms caliente y liviano. Las diferencias de presin
hacen que el aire se mueva de las reas de alta presin a las de baja presin, lo
que da lugar al viento.
42
El movimiento vertical de la atmsfera tambin afecta el transporte y dispersin de los contaminantes del aire. Cuando los meteorlogos hablan sobre
la estabilidad atmosfrica hacen referencia al movimiento vertical. Las
condiciones atmosfricas inestables producen la mezcla vertical. Generalmente,
durante el da el aire cerca de la superficie de la tierra es ms caliente y liviano
que el aire en la atmsfera superior debido a la absorcin de la energa solar. El
aire caliente y liviano de la superficie sube y se mezcla con el aire fro y pesado de
la atmsfera superior que tiende a bajar. Este movimiento constante del aire crea
condiciones inestables y dispersa el aire contaminado. Figura 19.
Movimiento horizontal diurno del aire
Figura 19 Fuente: www.cepis.org
Otros factores meteorolgicos bsicos que afectan la concentracin de contaminantes en el aire ambiental son: Radiacin solar
Precipitacin
Humedad.
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La radiacin solar contribuye a la formacin de ozono y contaminantes
secundarios en el aire. La humedad y la precipitacin tambin pueden favorecer la
aparicin de contaminantes secundarios peligrosos, tales como las sustancias
responsables de la lluvia cida. La precipitacin puede tener un efecto beneficioso
porque lava las partculas contaminantes del aire y ayuda a minimizar las
partculas provenientes de actividades como la construccin y algunos procesos
industriales.
Debido a los factores que determinan el transporte y dispersin de los
contaminantes, la contaminacin del aire producida en una regin puede tener
efectos adversos sobre los lagos y bosques de otra regin. Las grandes ciudades
rodeadas de una topografa compleja, como valles o cadenas montaosas como lo es el valle de Mxico, a menudo experimentan altas concentraciones de
contaminantes del aire. Si bien poco puede hacerse para controlar las fuerzas
naturales que crean estos problemas, existen tcnicas que ayudan a dispersar los
contaminantes.
3.3. Caractersticas generales de las plumas y chimeneas
La manera ms comn de dispersar los contaminantes del aire es a travs
de una chimenea. Esta a menudo se usa como un smbolo de la contaminacin
del aire. Es una estructura que se ve comnmente en la mayora de industrias y
tiene el objetivo de dispersar los contaminantes antes de que lleguen a las
poblaciones.
Generalmente se disean teniendo en cuenta a la comunidad circundante.
Mientras ms alta sea la chimenea, mayor ser la probabilidad de que los
contaminantes se dispersen y diluyan antes de afectar a las poblaciones vecinas.
Figura 20.
44
Colocacin de chimeneas en zonas cercanas a poblaciones
Figura 20 Fuente: www.jmarcano.com Recursos naturales
A la emanacin visible de una chimenea se le denomina pluma. La altura de la pluma est determinada por la velocidad y empuje de los gases que salen
por la chimenea. A menudo, se aade energa calrica a los gases para aumentar
la altura de la pluma. Las fuerzas naturales hacen que la pluma tenga velocidad
vertical, como sucede con el humo de las chimeneas residenciales.
La figura 21 (a y b) muestran los efectos de la altura de la chimenea y de
los alrededores inmediatos sobre la forma de la pluma. Mientras ms corta sea la
chimenea, mayor ser la probabilidad de que la pluma est afectada.
45
Efectos de la altura sobre la forma de la pluma
Figura 21 Fuente: www.jmarcano.com Recursos naturales
En la figura (a) se observa la distribucin de los contaminantes inyectados
dentro y fuera de la cavidad y el efecto de la pluma, mientras que en la figura (b)
se observa el diseo aerodinmico de una chimenea por la "cavidad" formada
por el edificio prximo a la chimenea. A medida que aumenta la altura de la
chimenea, la pluma se aleja del edificio.
La forma y la direccin de la pluma tambin dependen de las fuerzas
verticales y horizontales de la atmsfera. Como se mencion anteriormente, la
pluma est afectada por las condiciones atmosfricas. Las condiciones inestables
en la atmsfera producirn una pluma ondulante, mientras que las estables
harn que la pluma sea recta. Los contaminantes emitidos por las chimeneas
pueden transportarse a largas distancias.
46
3.4 Modelos de dispersin
Los modelos de dispersin son un mtodo para calcular la concentracin de
contaminantes a nivel del aire y a diversas distancias de la fuente. En la
elaboracin de modelos se usan representaciones matemticas de los factores
que afectan la dispersin de contaminantes. Las computadoras, mediante
modelos, facilitan la representacin de los complejos sistemas que determinan el
transporte y dispersin de los contaminantes del aire. Figura 22.
Cuando se hace un modelo del transporte y dispersin de contaminantes
del aire se recopila informacin especfica de un punto de emisin. Esta
informacin incluye la ubicacin del punto de emisin (longitud y latitud), la
cantidad y tipo de los contaminantes emitidos, condiciones del gas de la
chimenea, altura de la chimenea y factores meteorolgicos tales como la velocidad
del viento, perfil de la temperatura ambiental y presin atmosfrica.
Los cientficos usan estos datos como insumo del modelo de computacin y
para predecir cmo los contaminantes se dispersarn en la atmsfera. Los niveles
de concentracin pueden calcularse para diversas distancias y direccin de la
chimenea.
Modelos de dispersin
Figura 22 Fuente: www.natureduca.com/cont_atmosf_fuentes.php
47
Los modelos de dispersin tienen muchas aplicaciones en el control de la
contaminacin del aire, pues son herramientas que ayudan a los cientficos a
evaluar la dispersin de la contaminacin del aire. La exactitud de los modelos est limitada por los problemas inherentes al tratar de simplificar los factores
complejos e interrelacionados que afectan el transporte y dispersin de los
contaminantes del aire.
3.5 Caractersticas generales de las chimeneas
Se definen como tales a los conductos construidos para dar salida a la
atmsfera libre a gases resultantes de una combustin o de una reaccin qumica
(gases de cola) para su dispersin en el aire del ambiente. Figura 23.
Es un sistema usado para evacuar gases calientes y humo de calderas,
calentadores, estufas, hornos, fogones u hogares a la atmsfera. Como norma
general son completamente verticales para asegurar que los gases calientes
puedan fluir sin problemas, movindose por conveccin trmica (diferencia de
densidades).
Algunas chimeneas industriales
Figura.23 Fuente: Ruperto M. Palazn)
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En la definicin de una chimenea intervienen, fundamentalmente, los siguientes elementos:
1. Seccin interior, o de paso de gases
2. Altura
2.1. Para dispersin de gases en la atmsfera libre
2.2. Para la obtencin de una depresin mnima determinada en su base
3. Tipo de material estructural (o externo)
3.1. Resistencia a las acciones externas
3.1.1 Viento
3.1.2. Sismos
3.2. Cimentacin (conocimiento de la geologa del terreno)
4. Tipo de material de revestimiento interior
4.1. Resistencia a la temperatura y ataque fsico-qumico de los gases
Para determinar las caractersticas de una chimenea es imprescindible conocer el tipo de fluido que se espera que circule por ella.
Normalmente se trata de humos producto de la combustin de combustibles fsiles, en aire-ambiente:
Carbn
Derivados lquidos o gaseosos del petrleo
Madera.
Sin embargo, aun en estos casos, hay que tener en cuenta la posible contaminacin de estos humos con sustancias desprendidas de los
procesos en los que intervienen, como por ejemplo, los hornos de
reverbero.
49
En el caso frecuente de combustibles lquidos (fuel-oil, gasoil, etc.) o
gaseosos (hidrocarburos gaseosos o gas natural), figura 24, estos humos se
componen de:
Composicin de los contaminantes provenientes de la combustin de hidrocarburos
Figura 24 Fuente: Ruperto M. Palazn
En estos casos, las propiedades de los humos se acercan a las del aire. Por
estas razones, y a efectos de clculos tcnicos y en una primera aproximacin se
pueden tomar como propiedades de los humos de la combustin de derivados del
petrleo, las del aire.
Algunos factores importantes en el diseo de chimenea se enlistan a continuacin:
La seccin de paso de los humos por la chimenea
La velocidad mnima de evacuacin de los humos por la coronacin de la
chimenea suele venir fijada por la normativa correspondiente de la administracin
pblica del lugar.
50
A modo de orientacin, puede decirse que las velocidades medias deberan
oscilar entre un mnimo de 3 m/s y los 10 m/s. Una velocidad media de 5 m/s suele
considerarse como adecuada.
La altura de la chimenea
Para la dispersin de los humos en la atmsfera libre. La altura mnima de
una chimenea emitiendo gases considerados por la legislacin U.E. como
contaminantes, viene determinada por la normativa correspondiente del lugar en el
que se ubique.
De acuerdo a la NMX-009-SEMARNAT
El dimetro de la chimenea es indispensable para determinar la altura de la
misma.
Despus de la ltima perturbacin la altura deber ser:
8 veces el Dimetro = se encuentra 1 puerto (B).
2 veces el Dimetro = la altura final del puerto (A). Figura 25
Caractersticas de la chimenea
Figura .25 Fuente: Ruperto M. Palazn
51
3.6 Calculo de la altura efectiva de la chimenea
Los gases emitidos por las chimeneas muchas veces son impulsados por
abanicos. A medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la
pluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en la
pluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta su
dimetro mientras viaja a sotavento.
Al entrar en la atmsfera, estos gases tienen un momentum. Muchas veces
se calientan y se vuelven ms clidos que el aire externo. En estos casos, los
gases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes. La
combinacin del momentum y la flotabilidad de los gases hacen que estos se
eleven. Este fenmeno, conocido como elevacin de la pluma, permite que los
contaminantes emitidos al aire en esta corriente de gas se eleven a una altura
mayor en la atmsfera. Al estar en una capa atmosfrica ms alta y ms alejada
del suelo, la pluma experimentar una mayor dispersin antes de llegar a este.
La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva de chimenea (H), es la suma de la altura fsica de la chimenea (hs) y la elevacin de la pluma ( ).
En realidad, la elevacin de la pluma se estima a partir de la distancia
existente hasta la lnea central imaginaria de la pluma y no hasta el borde superior
o inferior de esta (figura 26). La elevacin de la pluma depende de las
caractersticas fsicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea).
52
La diferencia de temperatura entre el gas de la chimenea (Ts) y el aire
ambiental (Ta) determina la densidad de la pluma, que influye en su elevacin.
Adems, la velocidad de los gases de la chimenea, que es una funcin del
dimetro de la chimenea y de la tasa volumtrica del flujo de los gases de escape,
determina el momentum de la pluma.
Elevacin de la pluma
Figura 26 Fuente:
Los gases emitidos por las chimeneas muchas veces son impulsados por
abanicos. A medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la
pluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en la
pluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta su
dimetro mientras viaja a sotavento.
arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
Al entrar en la atmsfera, estos gases tienen un momentum. Muchas veces
se calientan y se vuelven ms clidos que el aire externo. En estos casos, los
gases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes.
53
La combinacin del momentum y la flotabilidad de los gases hacen que estos
se eleven. Este fenmeno, conocido como elevacin de la pluma, permite que los
contaminantes emitidos al aire en esta corriente de gas se eleven a una altura
mayor en la atmsfera. Al estar en una capa atmosfrica ms alta y ms alejada
del suelo, la pluma experimentar una mayor dispersin antes de llegar a este.
Momentum y flotabilidad
La condicin de la atmsfera, incluidos los vientos y el perfil de la
temperatura a lo largo del recorrido de la pluma, determinar en gran medida la
elevacin de la pluma. Dos caractersticas de esta influyen en su elevacin: el
momentum y la flotabilidad. La velocidad de salida de los gases de escape
emitidos por la chimenea contribuyen con la elevacin de la pluma en la
atmsfera. Este momentum conduce el efluente hacia el exterior de la chimenea a
un punto en el que las condiciones atmosfricas empiezan a afectar a la pluma.
Una vez emitida, la velocidad inicial de la pluma disminuye rpidamente
debido al arrastre producido cuando adquiere un momentum horizontal. Este
fenmeno hace que la pluma se incline. A mayor velocidad del viento, ms
horizontal ser el momentum que adquirir la pluma. Por lo general, dicha
velocidad aumenta con la distancia sobre la superficie de la Tierra. A medida que
la pluma contina elevndose, los vientos ms fuertes hacen que se incline an
ms. Este proceso persiste hasta que la pluma parece horizontal al suelo. El punto
donde la pluma parece llana puede ser una distancia considerable de la chimenea
a sotavento. La velocidad del viento es importante para impulsar la pluma.
Mientras ms fuerte, ms rpido ser el serpenteo de la pluma.
La elevacin de la pluma causada por su flotabilidad es una funcin de la
diferencia de temperatura entre la pluma y la atmsfera circundante. En una
atmsfera inestable, la flotabilidad de la pluma aumenta a medida que se eleva, lo
cual hace que se incremente la altura final de la pluma.
54
En una atmsfera estable, la flotabilidad de la pluma disminuye a medida
que se eleva. Por ltimo, en una atmsfera neutral, permanece constante.
La pluma pierde flotabilidad a travs del mismo mecanismo que la hace
serpentear, el viento. Como se muestra en la figura 27, la mezcla dentro de la
pluma arrastra el aire atmosfrico hacia su interior. A mayor velocidad del viento,
ms rpida ser esta mezcla.
El arrastre del aire ambiental hacia la pluma por accin del viento figura, le
"quita" flotabilidad muy rpidamente, de modo que durante los das con mucho
viento la pluma no se eleva muy alta sobre la chimenea.
Arrastre de la pluma en chimenea
Fig. 27 Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
55
3.7 Efectos del tipo de fuente en la elevacin de la pluma
Debido a la configuracin de la chimenea o a los edificios adyacentes, es
posible que la pluma no se eleve libremente en la atmsfera. Algunos efectos
aerodinmicos causados por el modo en el que se mueve el viento alrededor de
los edificios adyacentes y de la chimenea pueden impulsar a la pluma hacia el
suelo en lugar de permitir que se eleve en la atmsfera.
El flujo descendente de la chimenea puede producirse cuando la razn entre
la velocidad de salida de la chimenea y la del viento es pequea. En este caso, la
presin baja en la estela de la chimenea puede hacer que la pluma descienda
detrs de la chimenea. Cuando esto sucede, la dispersin de los contaminantes
disminuye, lo que puede determinar concentraciones elevadas de contaminantes
inmediatamente a sotavento de la fuente.
A medida que el aire se mueve sobre y alrededor de los edificios y otras
estructuras, se forman olas turbulentas. Segn la altura de descarga de una pluma
(altura de la chimenea), es probable que esta sea arrastrada hacia abajo en esta
rea de la estela. Esto se conoce como flujo descendente aerodinmico o entre
edificios de la pluma y puede conducir a concentraciones elevadas de
contaminantes inmediatamente a sotavento de la fuente.
Flujo descendente
Figura 28 Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
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La elevacin de las plumas ha sido tema de estudio durante muchos aos.
Las frmulas ms usadas son las desarrolladas por Gary A. Briggs. La ecuacin
incluye una de estas, la que se aplica a las plumas dominadas por la flotabilidad.
Las frmulas de la elevacin de la pluma se usan en plumas con temperaturas
mayores que la del aire ambiental. La frmula de Briggs para la elevacin de la
pluma es la siguiente:
Donde: h = Elevacin de la pluma (sobre la chimenea)
F = Flujo de flotabilidad (vase a continuacin)
= Velocidad promedio del viento
x = Distancia a sotavento de la chimenea/fuente
g = Aceleracin debido a la gravedad (9,8 m/s2)
V = Tasa volumtrica del flujo del gas de la chimenea
Ts = Temperatura del gas de la chimenea
Ta = Temperatura del aire ambiental
Como se dijo anteriormente, las frmulas de elevacin de la pluma sirven
para determinar la lnea central imaginaria de esta. La lnea central est donde se
producen las mayores concentraciones de contaminantes. Existen varias tcnicas
para calcular las concentraciones de contaminantes lejos de la lnea central.
Las frmulas de la elevacin de la pluma se usan para determinar la lnea
imaginaria de esta. Si bien la concentracin mxima de la pluma existe en esta
lnea central, las frmulas mencionadas no permiten obtener informacin sobre
cmo varan las concentraciones de contaminantes fuera de esta lnea central.
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Se debern efectuar, entonces, estimados de dispersin para determinar las
concentraciones de contaminantes en un punto de inters.
Los estimados de dispersin se determinan mediante ecuaciones de
distribucin y/o modelos de calidad del aire. Estos estimados generalmente son
vlidos para la capa de la atmsfera ms cercana al suelo, donde se producen
cambios frecuentes de la temperatura y de la distribucin de los vientos. Estas dos
variables tienen un importante efecto en la forma de dispersin de las plumas. Por
lo tanto, las ecuaciones de distribucin y los modelos de calidad del aire
mencionados anteriormente deben incluir estos parmetros.
Los modelos de dispersin de calidad del aire consisten en un grupo de
ecuaciones matemticas que sirven para interpretar y predecir las concentraciones
de contaminantes causadas por la dispersin y por el impacto de las plumas.
Estos modelos incluyen los estimados de dispersin mencionados anteriormente y
las diferentes condiciones meteorolgicas, incluidos los factores relacionados con
la temperatura, la velocidad del viento, la estabilidad y la topografa.
Existen cuatro tipos genricos de modelos: gausiano, numrico, estadstico y
fsico. Los modelos gausianos emplean la ecuacin de distribucin gausiana y
son ampliamente usados para estimar el impacto de contaminantes no reactivos.
En el caso de fuentes de reas urbanas que presentan contaminantes reactivos,
los modelos numricos son ms apropiados que los gausianos pero requieren una
informacin extremadamente detallada sobre la fuente y los contaminantes, y no
se usan mucho.
Los modelos estadsticos se emplean cuando la informacin cientfica sobre
los procesos qumicos y fsicos de una fuente estn incompletos o son vagos. Por
ltimo, estn los modelos fsicos, que requieren estudios de modelos del