Cuadernillo de contaminacion atm (1)

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Cuadernillo de contaminacion atm (1)

  1. 1. TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DEL ORIENTE DEL ESTADO DEMÉXICOACADEMIA DE INGENIERÍA AMBIENTALCUADERNILLO DE APOYO PARA LA ASIGNATURA DE:CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICAPROFESOR: DAVID ROMERO FONSECALOS REYES LA PAZ A 20 DE FEBRERO DEL 2010
  2. 2. ÍndicePáginaIntroducción ICapítulo 1. Conceptos básicos1.1 La atmósfera 11.2 Fundamentos de meteorología 51.3 Estaciones meteorológicas 101.4 Los instrumentos meteorológicos 17Capitulo 2. Contaminación de la atmósfera.2.1 Concepto 232.2 Fuentes de contaminación 242.3 Tipos de contaminantes 272.4 Efectos de la contaminación en la salud humana 28Capitulo 3.Transporte y dispersión de contaminantesatmosféricos.3.1 Conceptos básicos. 393.2 Circulación global de los contaminantes. 403.3 Características generales en las plumas en chimeneas. 423.4 Modelos de dispersión. 463.5 Características generales de las chimeneas 473.6. Cálculo de la altura efectiva de la chimenea 513.7 Efectos del tipo de fuente en la elevación de la pluma 55Tipos de plumas 59
  3. 3. Capitulo 4 Monitoreo4.1 Monitoreo en fuentes móviles y factores de emisión. 634.2 Monitoreo de emisiones 664.3 Procesos de emisión en vehículos automotores 674.4 Monitoreo atmosférico perimetral. (Imeca) 70Capitulo 5. Clasificación y características de los dispositivos decontrol5.1 Partículas. 765.2 Gases y vapores. 865.3 Control de olores 895.4 Precipitadores electrostáticos 95Bibliografía
  4. 4. Introducción.La contaminación atmosférica en los últimos años surge como unaproblemática alarmante no solo a nivel nacional, sino internacional debido a lasgraves afectaciones que genera en la salud de los seres vivos y en especial alhombre.Con la elaboración del presente cuadernillo, se pretende que los alumnos de lacarrera de Ingeniería Ambiental y en particular aquellos que se encuentrencursando la materia de Contaminación Atmosférica, cuenten con una guía lo máscompleta posible de los contenidos temáticos de dicha asignatura.Cabe aclarar, que este tipo de instrumentos didácticos no sustituyen deninguna manera a los libros de texto especializados en la materia, tampoco a laactividad de enseñanza aprendizaje; sino que simplemente es una referencia máspara el estudiante que necesita delimitar y conocer el valor temático de éstaasignatura.En la primera unidad se conocerán los conceptos fundamentales de laatmósfera y su composición, así mismo se informa acerca de la meteorología quees una ciencia, de la cual se apoya esta asignatura así como las estacionesmeteorológicas y la instrumentación empleada en éstas.En la segunda unidad se conocerá acerca del concepto de contaminaciónatmosférica, su clasificación, fuentes y efectos en la salud y repercusiones en lasactividades humanas. En el tercer capítulo se mencionan los principalesmecanismos de transporte, dispersión de los contaminantes así como losprincipales modelos matemáticos que se usan para la descripción del movimientoy comportamiento de los contaminantes en la atmósfera.Para el cuarto capítulo se describe básicamente el monitoreo atmosférico y lasfuentes que generan la emisión de sustancias a la atmósfera.
  5. 5. Además se describe el alcance del Índice Metropolitano de la Calidad delAire mejor conocido por todos como (IMECA) que es un mecanismo que alerta yda información continua acerca de la calidad atmosférica de la zona metropolitana.Finalmente en el último apartado se da a conocer la clasificación,características y aplicaciones de algunos de los dispositivos de control másimportantes a nivel industrial y comercial para abatir la emisión de contaminantesatmosféricos.Por último es necesario mencionar, que este documento es un compendioobtenido de distintas fuentes bibliográficas y es como todo material susceptible deperfeccionamiento. De antemano espero que sea de gran utilidad y sirva como ungranito de arena más para el desarrollo de nuestros alumnos y en general denuestra querida institución.
  6. 6. 1Unidad 1. Conceptos básicos.Objetivo Educacional. El es tudiante a dquirirá l os fundamentos s obre l aatmósfera y su relación con la meteorología.1.1 La atmósferaComenzó a formarse hace unos 4600 millones de años con el nacimiento de laTierra. La m ayor parte de l a atmósfera primitiva se perdería en el espacio, peronuevos g ases y v apor de agua s e fueron l iberando de l as r ocas q ue formannuestro planeta. La atmósfera de l as primeras épocas de la historia de l a Tierraestaría formada por vapor de agua, dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno, junto amuy peq ueñas c antidades d e hi drógeno ( H2) y m onóxido de c arbono per o c onausencia d e oxígeno. E ra una at mósfera ligeramente r eductora has ta q ue l aactividad fotosintética de los seres vivos introdujo oxígeno y ozono y hace unos1000 m illones d e año s l a at mósfera l legó a t ener un a c omposición s imilar a l aactual.La atmósfera es una masa gaseosa que rodea la tierra y permite la vida en estáporque c ontiene, entre ot ros g ases, ox igeno y di óxido de c arbono. E l ox igenopermite l a r espiración y el di óxido de c arbono s irve par a l a f otosíntesis. E n elmedio a t ravés del cual se transporta agua desde los océanos a l os continentes.Constituye u n es cudo pr otector del pl aneta porque absorbe las r adiacionespeligrosas, como l os r ayos c ósmicos y g ran par te de los r ayos ultravioleta, q ueproducirían la muerte de l os organismos vivos; además, estabiliza la temperaturade la tierra. Ver figura 1.
  7. 7. 2Descripción de las capas que constituyen la atmósferaFigura 1 Fuente:www.encolombia.com/medioambiente/AtmosferaLos dos principales componentes de la atmósfera son el nitrógeno, con un 78%del t otal, y el o xígeno, 21% . E l r esto de gases t ienen c oncentraciones m uchomenor pero son muy importantes. La atmósfera no tiene composición uniforme alsubir en ella. Es mucho más fina que el radio terrestre, en 5.5 km encontramos lamitad del total de la masa, siendo el 90% en torno a 30 Km.La temperatura, es un factor importante a considerar al estudiar la atmósfera yaque esta varía grandemente y es la responsable de la mayoría de si no es que detodos los fenómenos físicos que involucran al ciclo del agua. Estos cambios detemperatura, así como su estratificación se pueden ver en la figura 2.La temperatura de la atmosfera varía de un a manera compleja según la altitud.Según este parámetro, su estructura se puede dividir en cuatro capas o regiones,con el perfil de t emperatura indicado. Este perfil está controlado principalmentepor la absorción de la energía solar en estas capas.
  8. 8. 3Sobre la superficie terrestre y hasta una altitud de unos 12 km se encuentra latroposfera, en la cual la temperatura disminuye desde los 15ºC valor promedio dela superficie terrestre, hasta aproximadamente -50ºC .En esta región se manifiestala v ida de l os organismos, s e g eneran l os v ientos y l as pr ecipitaciones, s eobservan los cielos soleados o nublados, se transfiere agua de los océanos a loscontinentes, s e desplazan l os av iones, etc. E l g radiente d e t emperatura e snegativo por lo que se produce una mezcla constante de masas de aire, tanto enla di rección v ertical c omo hor izontal, l o c ual hac e q ue esta c apa t enga g ranactividad m eteorológica. E l l ímite s uperior de l a t roposfera s e deno minatropopausa.Sobre la tropopausa esta la estratosfera, cuya temperatura posee un gradientepositivo q ue v a des de -56ºC h asta -2ºC a una al titud d e 50k m. Este t ipo degradiente impide la ascensión de las masas de aire frio por encima de las masacalientes menos densas. Por esta razón solo ocurren movimientos horizontales delas masas de aire, lo cual configura una estructura de estratos.El l ímite ent re l a es tratosfera y la c apa s iguiente, m esosfera, s e den ominaestratopausa. Sobre este límite se extiende una capa que va desde los 50 hastalos 85 km de altitud. La temperatura varía desde -2ºC hasta -92ºC y, al igual quela troposfera, el gradiente de temperatura de la mesosfera es negativo: como ladensidad es muy baja prácticamente no existen movimientos de masas gaseosas.Finalmente esta la región termosfera, separada por la mesopausa, cuya altitud vadesde los 85 hasta más allá de los 500 km.En ella la temperatura se incrementa de -92ºC hasta 1.200ºC, debi do a q ue l aescasa cantidad de gases absorbe radiación de alta energía, inferior a 200nm.En c ontraste c on l os grandes c ambios d e t emperatura q ue s e producen en l ascapas de la at mosfera, l a presión d e es ta di sminuye de un m odo r egular a laumentar la altitud.
  9. 9. 4Variaciones de temperatura en relación a la altitud atmosféricaFigura 2 Fuente: www.telefonica.net/Imagenes/Capas.Los c omponentes de l a at mósfera s e e ncuentran concentrados cerca de l asuperficie, comprimidos por la atracción de la gravedad y, conforme aumenta laaltura l a de nsidad d e l a at mósfera disminuye c on g ran r apidez. E n l os 5, 5kilómetros más cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total yantes de los 15 kilómetros de altura está el 95% de toda la materia atmosférica.La mezcla de g ases q ue l lamamos aire mantiene l a proporción d e s usdistintos c omponentes c asi i nvariable h asta l os 80 k m, au nque cada v ez m ásenrarecido (menos denso) conforme vamos ascendiendo. A partir de los 80 km lacomposición se hace más variable. En la tabla 1 s e muestran las composicionesporcentuales y ot ras características de l os pr incipales g ases q ue c omponen l aatmósfera.
  10. 10. 5Otros gases de interés presentes en l a atmósfera son el vapor de ag ua, elozono y diferentes óxidos de nitrógeno, azufre.También hay partículas de polvo ensuspensión c omo, por ej emplo, par tículas i norgánicas, pequeños or ganismos orestos de ellos, NaCl del mar, etc. Muchas veces estas partículas pueden servir denúcleos de c ondensación en l a formación de nieblas ( smog o nebl umo) mu ycontaminantes.Principales sustancia que conforman la atmósfera y porcentaje en masacomponente masa molar % molecular % masa espesorrelativoN2 28.02 78.08% 75.51% 6.35 kmO2 32.00 20.95% 23.14% 1.68 kmAr 39.94 0.93% 1.28% 74 mNe 20.18 18 ppm 13 ppm 15 cmHe 4.00 5 ppm 0.7 ppm 4 cmKr 83.70 1 ppm 2.9 ppm 8 mmH2 2.02 0.5 ppm 0.03 ppm 4 mmCO2 44.01 350 ppm 533 ppm 2.8 mO3 48.00 0-12 ppm 0-20 ppm 0-1 mmH2O 18.02 0-4 % 0-2.5% 0-300 mTabla 1 Fuente: propia1.2 Fundamentos de meteorología.El viento, l a hum edad, l a i nversión y l as pr ecipitaciones t ienen un pap elimportante en el aumento o disminución de la contaminación.El v iento g eneralmente favorece l a di fusión d e l os c ontaminantes y a q uedesplaza las masas de aire en función de l a presión y la temperatura. El efecto
  11. 11. 6que puede causar el viento depende de los accidentes del terreno o incluso de laconfiguración de los edificios en las zonas urbanizadas.Al contrario del viento, la humedad juega un pap el negativo en l a evoluciónde los contaminantes ya que favorece la acumulación de humos y polvo. Por otraparte, el v apor d e ag ua p uede r eaccionar c on c iertos ani ones a umentando l aagresividad de los mismos, por ejemplo el trióxido de azufre en presencia de vaporde agua se transforma en ác ido sulfúrico, lo mismo ocurre con los cloruros y losfluoruros para dar ácido clorhídrico y fluorhídrico respectivamente.• Inversión térmica.Normalmente, l a t emperatura d el ai re di sminuye c on l a di stancia, d e t almanera que en una atmósfera normal hay una disminución de 0.64 a 1.0 ºC cada100 metros en la zona más próxima a la superficie de la tierra, llamada troposfera;por enc ima de el la l a t emperatura di sminuye más r ápidamente. E ste s ería elradiante t érmico n ormal, p ero b ajo d eterminadas c ondiciones or ográficas yclimatológicas este gradiente puede al terarse d e t al manera q ue a u nadeterminada altura la temperatura del aire es superior a la de una altura inferior.El problema que esto crea es impedir la dispersión vertical de los humos y deotros c ontaminantes enviados a l a at mósfera por l as i ndustrias, c alefacciones,motores de explosión, actividades urbanas etc.El fenómeno d e i nversión t érmica s e pr esenta c uando en l as nochesdespejadas el suelo ha perdido calor por radiación, las capas de aire cercanas a élse enfrían más rápido que las capas superiores de ai re lo cual provoca que segenere un gradiente positivo de temperatura con la altitud (lo que es un fenómenocontrario al q ue s e presenta normalmente, l a temperatura de l a t roposferadisminuye con la altitud).
  12. 12. 7Esto provoca que la capa de aire caliente quede atrapada entre las 2 capas deaire frío sin poder circular, ya que la presencia de l a capa de ai re frío cerca delsuelo l e da g ran es tabilidad a l a at mósfera por que pr ácticamente no h ayconvección térmica, ni fenómenos de transporte y difusión de gases y esto haceque disminuya la velocidad de mezclado vertical entre la región que hay entre las2 capas frías de aire.El fenómeno c limatológico d enominado inversión térmica se pr esentanormalmente en las mañanas frías sobre los valles de escasa circulación de aireen todos los ecosistemas terrestres. También se presenta este fenómeno en lascuencas cercanas a las laderas de las montañas en noches frías debido a que elaire f río de l as l aderas des plaza al ai re c aliente de l a c uenca pr ovocando elgradiente positivo de temperatura. Este fenómeno se ilustra en la figura 4.Actividad en las inversiones térmicasFigura 3 Fuente: www.cepis.ops-oms.orgCuando se emiten contaminantes al aire en condiciones de inversión térmica,se ac umulan ( aumenta s u c oncentración) debi do a q ue l os f enómenos detransporte y difusión de los contaminantes ocurren demasiado lentos, provocando
  13. 13. 8graves episodios de c ontaminación atmosférica de c onsecuencias graves para lasalud de los seres vivos.La i nversión t érmica es un fenómeno pel igroso par a l a v ida c uando haycontaminación porque al comprimir la capa de aire frío a los contaminantes contrael suelo la concentración de l os gases tóxicos puede llegar hasta equivaler 14veces más de lo que normalmente se esperaríaGeneralmente, la inversión térmica se termina (rompe) cuando se calienta el sueloy vuelve a emitir calor lo cual restablece la circulación normal en la troposfera.• VientosLos v ientos s on l os des plazamientos de ai re en l a at mósfera. S u or igen s edebe a l a di ferencia de pr esión ent re ár eas ant iciclónicas y c iclónicas, q ue s onemisoras y receptoras de v iento respectivamente. Cuanto mayor es la diferenciade pr esión, m ayor s erá l a v elocidad de l os v ientos. D e es ta f orma t iende arestablecerse el equilibrio de las masas de aire de la atmósfera.Los vientos se caracterizan por no soplar en línea recta ya que la rotación de latierra 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 duración se clasifican en: Permanentes: Soplan t odo el añ o en l a m isma dirección. Los v ientosalisios se originan en los anticiclones oceánica permanentes cerca del los30º d e l atitud en ambos c ontinentes y se di rigen hac ia l os c iclonesecuatoriales. Al pasar sobre los mares se cargan de humedad provocandoprecipitaciones. Al llegar a estas zonas se calientan y elevan convirtiéndoseen c ontralisios q ue s e des plazan en di rección o puesta. O tros v ientospermanentes s on l os oc cidentales e n l as latitudes medias y l os v ientospolares.
  14. 14. 9 Periódicos: Cambian de dirección de acuerdo a la estación del año o almomento del día. Durante el verano los vientos monzones se atraídos porlos centros ciclónicos del centro de Asia y se originan en los anticiclonesoceánicos.Son c álidos y húm edos d ebido a s u pr ocedencia marina. Durante elinvierno el centro del continente se convierte en un centro anticiclónico queemite vientos fríos y secos hacia el mar. Otros vientos periódicos son lasbrisas m arinas. D iariamente s oplan des de el m ar, q ue es tá más f resco,hacia el continente durante el día y en dirección contraria durante la noche. Locales: Soplan en una r egión det erminada t odo el a ño en l a m ismadirección. Son ej emplos c aracterísticos de n uestro p aís l os v ientosPampero (frío y seco), Sudeste (frío y húmedo) y Zonda (cálido y seco).• HumedadLa h umedad es l a c antidad d e vapor de agua c ontenido en el ai re. Suexistencia se debe pr incipalmente a l a evaporación del agua existente en ríos ymares y en m enor m edida a l a ev apotranspiración de pl antas y ani males. E sevapor as ciende e n l a at mósfera h asta l legar a c apas frías d onde c ondensaformando las nubes. Estas se componen de pequeñas gotas de agua o agujas dehielo.Estas formaciones s e s ostienen g racias a l a acción de corrientes de ai reascendentes:• Cirros: Se ubican entre los 8.000 y 12,000 metros de altura. Son blancas ycon forma de largos filamentos. Suelen preceder un descenso de la presiónatmosférica.• Cúmulos: Se ubican entre los 1.000 y 5.000 metros de altura. Son blancasy redondeadas. Suelen observarse en verano precediendo una tormenta.
  15. 15. 10• Nimbos: Se ubican entre los 200 y 2.000 metros de altura. Son oscuras yproducen lluvias.• Estratos: S e ubi can por debajo de los 60 0 metros de altura. F orman u nmanto uni forme formando c apas s uperpuestas. S e o bservan en díastotalmente nublados.• Cuando el vapor de agua condensa cerca de la superficie terrestre recibe elnombre de niebla, mientras que si lo hace sobre superficies acuáticas sedenomina bruma.• El agua vuelve a la superficie terrestre por medio de las precipitaciones enforma de lluvia o nieve, completando el ciclo del agua.1.3 Estaciones meteorológicasUna estación meteorológica: Se emplean para estudiar y predecir el tiempo esestado de l t iempo, con es te f in se c onstruyen obs ervatorios o es tacionesmeteorológicas. A ctualmente s e ut ilizan t ecnologías m uy c omplicadas y c aras,pero el estudio del clima tiene que contemplar siempre los siguientes factores:• La temperatura: Que s e m ide c on el t ermómetro. Los t ermómetrostienen dos es calas: C elsius y Fahrenheit. Los eur opeos utilizamos l aprimera, por eso después del símbolo de grados (º) siempre verás la letraC.• La presión atmosférica: Es decir, el peso del aire. Para ello se utiliza elbarómetro, que mide la presión en milibares.• Las precipitaciones: Pueden ser en forma de lluvia, de nieve o de granizo.El pluviómetro es un aparato que mide la cantidad de agua caída por metrocuadrado ( la c antidad de ag ua q ue c ae en un cuadrado de un m etro d elado).• El viento: Del que nos interesa la velocidad (se mide con el anemómetro) yla dirección que lleva (se comprueba con la veleta).
  16. 16. 11En M éxico el e ncargado d e l as es taciones meteorológicas es el ServicioMeteorológico Nacional (SMN), el or ganismo enc argado d e pr oporcionarinformación sobre el estado del tiempo a escala nacional y local en nuestro país,depende de l a C omisión N acional del Agua ( CNA), q ue forma par te d e l aSecretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT).Para llevar a cabo sus objetivos el Servicio Meteorológico Nacional cuenta con lared siguiente infraestructura de observación:Red sinóptica de s uperficie, integrada por 72 obs ervatorios m eteorológicos,cuyas f unciones s on l as de obs ervación y t ransmisión e n t iempo r eal d e l ainformación de las condiciones atmosféricas.Red sinóptica de altura. Consta de 15 estaciones de radio sondeo, cuya función esla obs ervación d e l as c apas altas d e l a at mósfera. C ada e stación r ealizamediciones de presión, temperatura, humedad y viento mediante una sonda quese eleva por medio de un globo dos veces al día.Todos l os o bservatorios m eteorológicos ( estaciones m eteorológicas) de l a r eddeben trabajar las 24 horas del día los 365 días del año ininterrumpidamente, sinembargo, por la falta de personal únicamente el 27 % labora de esta forma.Todas las observaciones y registros se rigen a la normatividad establecida por LaOMM. En esta red se realizan mediciones de los elementos del tiempo atmosféricode la siguiente forma: A ni vel hor ario s e l levan r egistros que s on as entados en l os formatoscorrespondientes. Cada 3 hor as, a t iempo r eal y por ac uerdos i nternacionales, par a s ertransmitidas p or di versos m edios de c omunicación al C entro N acional d e
  17. 17. 12Telecomunicaciones Meteorológicas (CNTM), para su posterior retrasmisiónal Centro Meteorológico Mundial de Washington (CMMW) para su difusiónmundial, así como a todos los usuarios nacionales. Mensualmente con los registros horarios, se realiza un reporte de acuerdo ala normatividad de la OMM, el cual es transmitido al CNTM a más tardar alos 4 días siguientes de concluido el mes, para su retransmisión al CMMWpara ser difundida mundialmente.La t ransmisión d e l a i nformación s e realiza c ada 3 horas a tiempo r eal(mensajes s inópticos), es d ecir s e d eben r ecibir 8 mensajes por dí a por c adaobservatorio y de ac uerdo al Tiempo del Meridiano d e G reenwich ( GMT). L ashoras en q ue s e e fectúan l as o bservaciones m eteorológicas y s e env ían l osinformes sinópticos se mantienen constantes con respecto a l a hora GMT a ni velmundial, independientemente de los cambios que se den en el horario civil. Paraefectos de ev itar confusiones, en l as siguientes tablas se indican las variacionesde l a h ora l ocal de verano y de i nvierno con r especto a l a h ora G MT, para l osdiferentes husos horarios que rigen el país. En estas horas se reciben los reportesen el CNTM para la disposición de todos los usuarios.Horarios de la trasmisión de mensajes sinópticos de la Península de BajaCalifornia en México.Meridiano 120°Baja CaliforniaHora del Meridiano de Greenwich(Hora de transmisión al CNTM)Hora LocalHorario de Invierno Horario de Verano00:00 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)
  18. 18. 13Horarios de la trasmisión de mensajes sinópticos de la región noroeste deMéxico.Meridiano 105°Baja California Sur, Sonora, Sinaloa, NayaritHora del Meridiano de Greenwich(Hora de transmisión al CNTM)Hora LocalHorario de Invierno Horario de Verano00:00 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 trasmisión de mensajes sinópticos para el resto del paísMeridiano 90°Resto del paísHora del Meridiano de Greenwich(Hora de transmisión al CNTM)Hora LocalHorario de Invierno Horario de Verano00:00 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 elección de m ontajes de las es taciones, con el fin de q ue p uedan s erconsiderados los datos representativos es fundamental, dado que en l os valoresque toman las variables meteorológicas influye, además de la latitud y la altitud, la
  19. 19. 14distancia al mar, la topografía del lugar, la proximidad de grandes masas de agua,relieve accidentado, vegetación, barreras o cortinas arbóreas, edificaciones etc.La estación debe situarse con independencia de encontrarse en la zona bajade un v alle, en u na cumbre o en u na zona de pen diente acusada, en un l ugardespejado.Una pradera una huerta o un amplio patio puede ser un buen emplazamiento,siempre que los árboles, muros, o edificios próximos a la estación disten de éstacomo mínimo una distancia igual a la altura de los obstáculos. No conviene situarla estación en campos totalmente despejados ni en terrazas, ni en tejados, debidoa q ue es tos s itios es tán ex puestos a f uertes r achas de v iento, q ue pr oducenremolinos de aire y en consecuencia se altera la medida de la lluvia.Estación Meteorológica AutomáticaEs un conjunto de dispositivos eléctricos y mecánicos que realizan medicionesde l as v ariables m eteorológicas de forma aut omática ( sobre t odo en formanumérica).Una E stación M eteorológica A utomática, es tá c onformada po r un g rupo desensores que registran y transmiten información meteorológica de f ormaautomática d e l os sitios donde es tán es tratégicamente c olocadas. S u funciónprincipal es la r ecopilación y monitoreo de al gunas variables M eteorológicaspara generar archivos del promedio de cada 10 minutos de todas las variables,esta información es enviada vía satélite en intervalos de 1 ó 3 horas por estación.La h ora q ue s e ut iliza par a r egistrar l os dat os es el horario TUC ó UT C(Tiempo U niversal C oordinado) por es ta r azón deber á t ener en c onsideracióneste factor para la correcta interpretación de los datos anteriores de las tablas.El área representativa de las estaciones es de 5 k m de r adio aproximadamente,en terreno plano, excepto en terreno montañoso.
  20. 20. 15Sensores que integran la Estación:- Velocidad del viento- Dirección del viento- Presión atmosférica- Temperatura y Humedad relativa- Radiación solar- PrecipitaciónExisten dos t ipos d e es tructura donde van m ontadas l as es taciones: L a de t ipoandamio y de tipo torre triangular, que se pueden observar en la siguiente figuraFigura 4. Fuente: SMN, (2000)
  21. 21. 16Estaciones meteorológicas atmosféricas (EMA´s) en la región central deMéxico.Hay 25 en el Estado de México, Hidalgo, Tlaxcala y Distrito Federal.Tabla de Localización de EMA´s en la zona centro de MéxicoESTADONOMBRE Latitud Longitud AltitudDISTRITO FEDERAL EL GUARDA 19°0917 99°0444 2946DISTRITO FEDERAL LA AGRARIA 19°1627" 99°0929" 2272ESTADO DEMÉXICOACOLMAN 19°3805" 98°5442" 1993ESTADO DEMÉXICOAMECAMECA 19°0755" 98°4710"2460ESTADO DEMÉXICOARCOS DEL SITIO 19°4559" 99°2036" 2356ESTADO DEMÉXICOCHAPINGO 19°2939" 98°5319" 2260ESTADO DEMÉXICOIXTAPALUCA 19°1952 98°5240 2272ESTADO DEMÉXICOLAGUNA DE ZUMPANGO 19°4828 99°0751 2262ESTADO DEMÉXICOMANUEL ÁVILA CAMACHO 19°1913" 98°4520" 2958ESTADO DEMÉXICOPRESA GUADALUPE 19°3801" 99°1503" 2313ESTADO DEMÉXICOOTUMBA 19°4117" 98°4527" 2384ESTADO DEMÉXICOSAN MIGUEL ATLAMAJAC 19°4456" 98°5555" 2316ESTADO DEMÉXICOTEPEATLOXTOC 19°3409" 98°4929" 2320ESTADO DEMÉXICOTEQUIXQUIAC 19°5415" 99°1730" 2266HIDALGO ACTOPAN 20°1650 98°5821 1993HIDALGO IROLO 19° 4536" 98° 3526" 2464HIDALGO IXMIQUILPAN 20°2946 99°1052 2272HIDALGO LAGUNA DE TECOCOMULCO 19°5221 98°2415 2547HIDALGO MIXQUIAHUALA 20°1346 99°1255 2009HIDALGO PRESA ROJO GÓMEZ 20°2134" 99°1907" 1996HIDALGO TAXHIMAY 19°5014" 99°2302" 2256HIDALGO TEZONCUALPA 19°5757" 98°1629" 2519HIDALGO TEZONTEPEC 19°5242" 98°4912" 2344HIDALGO TULA DE LAS ROSAS 20°0324" 99°2054" 2054TLAXCALA SANCTORUM 19°2925" 98°2818" 2767Tabla 5. Fuente: SMN, (2000)
  22. 22. 171.4 Los instrumentos meteorológicos.Barómetro de mercurio: Instrumento ut ilizado par a m edir l a pr esiónatmosférica. Pueden ser de ramas iguales o desiguales y en este último caso decubeta fija y cero móvil o de cubeta móvil y cero fijo.Se coloca en el interior de l a estación meteorológica, ya que no puede estarexpuesto al sol, ni a la corriente de aire. Deben colocarse sobre paredes por lasque no pas en c añerías y debe es tar a una al tura e n l a q ue s ea f ácil m edir ycompletamente vertical. Para medir la presión el primer paso es llevar el mercuriode la cubeta, mediante un tornillo, hasta el extremo de un índice de marfil (es el 0de la escala).Este procedimiento se llama enrase. Luego se debe ajustar el vernierde manera que apenas toque el menisco que forma el mercurio. Paralelamente sedebe medir la temperatura del termómetro adjunto.Todo esto debe realizarse rápidamente para que el calor de nuestro cuerpo noincida en l a medición. Una vez leído el dato de pr esión se deben hacer algunascorrecciones: Por t emperatura, y a q ue l a al tura del m ercurio v aría c on l atemperatura, al igual que la escala (esta se hace de invar que es un material pocodilatable). Por gravedad (reducir a 45º de latitud y 0 metros).Barómetro aneroide: Mide la presión atmosférica. Se coloca en el interior de laestación meteorológicaBarógrafo: mide la presión atmosférica y registra su variación a través del tiempo- Tendencia barométrica- se instala a la sombra, sobre una repisa sin vibraciones.Para evitar la dilatación de las cápsulas por efecto de la temperatura, se utiliza unbimetálico, es decir dos metales cuyos coeficientes de dilatación se complementande manera que la aguja quede en su lugar y no se vea afectada por los cambiosde temperatura.
  23. 23. 18Termómetro: registra l a t emperatura. Se c oloca en el i nterior del abr igometeorológico con su bulbo a una altura entre 1,5 y 2 metros de alturaTermómetro de máxima: registra l a t emperatura más al ta d el dí a. Se c olocadentro del abrigo meteorológico en u n soporte adecuado, con su bulbo inclinadohacia abajo formando un ángulo de 2º con la horizontal. Luego de la lectura, paravolver a poner lo a p unto s e d ebe s ujetar f irmemente p or l a p arte c ontraria a ldepósito y sacudirlo con el brazo extendido (maniobra similar a la que realizamospara bajar la temperatura de un termómetro clínico)Termómetro de mínima: registra la t emperatura m ás baj a del dí a. S e colocadentro d el a brigo m eteorológico e n u n s oporte a decuado en forma horizontal.Luego de l a l ectura se debe p oner nu evamente el í ndice en c ontacto c on l asuperficie libre del alcohol.Termómetros de suelo: Se u tilizan par a m edir l a t emperatura del s uelo y adistintas profundidades. Se recomienda que todo el termómetro esté sumergidopara evitar el error por columna emergente. Los termómetros que miden distintasprofundidades s e c olocan de ntro d e un c ompartimento d e pl ástico, c erámica ocualquier material que adquiera la temperatura de la tierra.Psicrómetro: Mide l a hum edad r elativa. H ay dos t ipos de ps icrómetros l os deventilación forzada y l os de v entilación n atural. M e r eferiré a es te úl timo. Esteinstrumento se coloca en un soporte dentro del abrigo meteorológico. El acceso ala humedad relativa, tensión de vapor y punto de rocío se hace mediante tablas,ingresando a las mismas con los datos de las lecturas de ambos termómetros.Termógrafo: Grafica la temperatura a t ravés del tiempo. Se coloca en el interiordel abrigo meteorológico.
  24. 24. 19Higrógrafo: Grafica la humedad a través del tiempo. Se coloca en el interior delabrigo meteorológico. El haz de cabellos se debe limpiarse con agua destilada.Anemómetro: Pueden ser de c operolas, de hélice, de tubo pitot, eléctricos. Mereferiré al primero de ellos (de coperolas) por ser el más usado. Se coloca lejos deobstáculos, en general a 10 metros de altura.Anemocinemógrafo: Este i nstrumento r egistra en una faja l a di rección yvelocidad del v iento. El s ensor de v elocidad pue de s er d e c ope r olas o pue deutilizar el s istema d e t ubo pi tot. El s ensor de di rección es una v eleta. Lossensores se colocan a 10 metros de altura, alejado de obstáculosVeleta: Mide la dirección del viento. El sensor se coloca a 10 metros de altura,alejado de obstáculosPluviómetro: Mide la cantidad de agua caída. Se coloca sobre piso de céspedbien c ortado p ara ev itar s alpicaduras y l a distancia a c ualquier obj eto c ercanodebe ser de por lo menos 4 veces su altura. La boca del pluviómetro debe estarperfectamente horizontal. A veces, para evitar la turbulencia del viento se le colocauna especie de pollerita al cuerpo del instrumento. La observación se hace cada24 horas. El agua se trasvasa a una pr obeta de t ipo pirex graduada en mm deprecipitación.Fluviógrafo: Registra l a c antidad de ag ua caída y el tiempo durante el q ue h acaído. Las características de instalación de este instrumento coinciden con las delpluviómetro. Para medir la lluvia sólo deben sumarse las ramas ascendentes delregistro de la faja. En el caso del fluviógrafo de cangilones se deben sumar tantolas subidas como las bajadas de la curva graficada en la faja.
  25. 25. 20Evaporímetro o atmómetro: Mide la ev aporación pot encial. Se c oloca en elinterior del abrigo meteorológico. Está graduado en mm en graduación crecientede arriba a abajo.Tanque de evaporación: Como el viento también influye en l a evaporación, secoloca u n a nemómetro t otalizador q ue m arca l a c antidad d e k m o m etros q uerecorrió una p artícula en el día. Además es conveniente conocer la temperaturadel aguaPiranómetros y pirheliómetros Miden la radiación solar difusa y directa. Se mideen c alorías por c entímetro c uadrado y m inuto, o en v atios por metro c uadrado.Equivalencia: 1 cal /cm2 min = 696,67 W/m2Heliofanógrafo: Mide la duración de la insolación. Si el sol brilla durante todo eldía se forma un trazo carbonizado continuo, si el sol brilla de manera intermitente,el trazo será discontinuo. En este caso, la duración de la insolación se determinasumando las longitudes de las partes carbonizadas.Transmisómetro: Mide la visibilidad. Se basa en la atenuación que se produce enun haz de luz por la presencia de partículas en la atmósfera. Se compone de unafuente de luz y un r eceptor colocados a u na distancia conocida (75 metros). Lacantidad de luz que llega al receptor se traduce en fuerza electromotriz. Algunosde estos instrumentos se pueden observar en las figuras 5,6 y 7.
  26. 26. 21Instrumentos en el interior del abrigo meteorológicoFigura 5. Fuente: SMN, (2000)Otros InstrumentosFigura 6. Fuente: SMN, (2000)
  27. 27. 22Otros instrumentosFigura 7. Fuente: SMN, (2000)
  28. 28. 23Capitulo 2. Contaminación de la atmósfera.Objetivo educacional. Obtendrá los conocimientos básicos sobre el transporte ydispersión de c ontaminantes at mosféricos y l a apl icación d e s oftware p ara l asimulación de la dispersión.2.1 Concepto.Se entiende por contaminación atmosférica como la presencia en el aire dematerias o formas de energía que impliquen riesgo, daño o molestia grave para laspersonas y bienes de cualquier naturaleza, así como que puedan atacar a distintosmateriales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables.El nombre de l a contaminación atmosférica s e a plica por l o g eneral a l asalteraciones q ue tienen e fectos perniciosos en l os s eres v ivos y l os el ementosmateriales, y no a ot ras al teraciones i nocuas. Los pr incipales m ecanismos d econtaminación atmosférica son los procesos industriales que implican combustión,tanto en i ndustrias c omo e n aut omóviles y c alefacciones r esidenciales, q uegeneran dióxido y monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y azufre, entre otroscontaminantes. I gualmente, al gunas i ndustrias em iten g ases noc ivos en s usprocesos pr oductivos, c omo c loro o hidrocarburos q ue no han r ealizadocombustión completa.La contaminación es uno de los problemas ambientales más importantes queafectan a nu estro mundo y s urge c uando s e pr oduce u n des equilibrio, c omoresultado de la adición de cualquier sustancia al medio ambiente, en cantidad tal,que cause efectos adversos en el hombre, en los animales, vegetales o materialesexpuestos a dosis que sobrepasen los niveles aceptables en la naturaleza.
  29. 29. 242.2 Fuentes de contaminaciónLa c ontaminación pue de s urgir a par tir de c iertas manifestaciones de l anaturaleza (fuentes naturales) o bien debido a los diferentes procesos productivosdel ho mbre ( fuentes antropogénicas) q ue conforman l as ac tividades d e l a v idadiaria. Por otra parte el flujo de l a contaminación tiene una ruta bien identificadaque se describe en la figura 8.Flujo de la contaminación atmosféricaFigura 8 Fuente: SEMARNATLos contaminantes que el hombre libera hacia la atmósfera en mayor medida,provienen de la combustión de carburantes fósiles, y podríamos clasificarlos entres grupos principales:1) Actividades industriales, c omo l as d edicadas a l a obtención de energía:liberan óxidos de nitrógeno, azufre, y en menor medida plomo metálico.
  30. 30. 252) Actividades domésticas, c omo l a c ombustión por s istemas de c alefacción:liberan mayormente óxidos de azufre, y de nitrógeno en menor medida3) Transportes, c omo l os d e c ombustión i nterna: l iberan óx idos de nitrógeno yplomo, y óxidos de azufre en menor cantidad.Con frecuencia s e ha n c lasificado g enéricamente l as fuentes de e misión d eagentes contaminantes en l a troposfera considerando su localización fija o móvil.Así, se habla de:a) Fuentes móviles, incluyen a l os di versos t ipos d e v ehículos d e m otorutilizados en el t ransporte: Los av iones, hel icópteros, ferrocarriles,tranvías, t ractocamiones, au tobuses, c amiones, automóviles,motocicletas, embarcaciones, equipo y maquinarias no fijas con motoresde c ombustión y s imilares, q ue p or s u o peración g eneren o puedangenerar emisiones contaminantes a la atmósfera.Si bi en l a definición de fuente m óvil i ncluye pr ácticamente a t odos l osvehículos automotores, la NOM para fuentes fijas se refiere básicamente alas emisiones de automóviles y camiones. Los motores de los vehículosson los responsables de las emisiones de CO, de compuestos orgánicosvolátiles, SO2, y NOx, producidos durante la combustión.b) Fuentes fijas: Así denominadas, por actuar permanentemente sobre unsitio o r egión, es decir, por estar ahí establecidas. Están constituidas porfábricas, comercios, talleres metalúrgicos, incineradores, fundiciones, etc.y pr oducen u na c onsiderable c ontaminación, n o s olo p or el us o decombustibles s ino por l a em isión d e v apores s olventes or gánicos, o d eproductos químicos contaminantes.Las fuentes fijas son las más dañinas, éstas actúan sobre todas las áreasde l a bi osfera y pr oducen, t anto e misiones de hu mos, pol vos, gases,ruidos y radiaciones; como descargas de aguas residuales o desechos
  31. 31. 26sólidos que afectan, por igual, el aire, los diversos cuerpos receptores deagua o la tierra, por deterioro superficial, filtración o acarreo. “Una emisiónde humos y polvos puede no s er por si misma necesariamente peligrosa;para serlo deberá tener una dens idad y un v olumen tales, durante ciertolapso, que las condiciones atmosféricas no sean suficientes para diluirla odispersarla en un período de tiempo dado, haciéndola inocua.La peligrosidad se inicia, precisamente, a partir del momento en que lacantidad de elementos no deseables emitidos, rebasa la capacidad naturalde dispersión, t ransformación o an ulación, c reando, por l o t anto u naconcentración que rompe el equilibrio. En la tabla 6 se puede observar eltipo de fuente contaminante, ya sea fija o m óvil y las emisiones que segeneran por acción de éstas.Lo anterior es consecuencia de la tendencia de agrupar en ciertasáreas; en es pecial l as ur banas, l os c ontaminantes q ue emitidos por l afuentes fijas, no pudieron ser desplazados por la circulación atmosférica ya l os q ue se u nen l os pr ovenientes de l as fuentes móviles y de l asnaturales.Fuentes antropogénicas de emisiones atmosféricasFuentes antropogénicas ContaminantesFijas Procesos industrialesDióxido de az ufre, Hidrocarburos v olátiles,Partículas c arbonosas, Anhídrido s ulfuroso,Óxidos de ni trógeno ( NOx),Dióxido d ecarbono (CO2) Metales pesadosMóvilesQuema decombustibles fósilesvehículos yaeronavesMonóxido de c arbono ( CO),Óxidos denitrógeno (NOx),Hidrocarburos (HC), Compuestos de plomo.Tabla 6 Fuente: Gestión-calidad/riesgo
  32. 32. 27Las características físicas c omo el t amaño d e l as par tículas, l a c omposiciónquímica, as í c omo el or igen de és tas d eterminan e n g ran medida l a actividadreactiva, así como las posibles afectaciones que éstas generan al ambiente y losseres v ivos. A c ontinuación en l a t abla 7, s e m uestran al gunos de l oscontaminanates más persistente su estado física y sus fuentesDescripción de los principales contaminantes químicos y sus fuentesContaminante Formación Estado físico FuentesPartículas ensuspensión (PM),PM10, Humos negrosPrimaria y secundaria Sólido, líquido Vehículos, pr ocesosindustriales, humo detabacoSO2 Primaria gas Procesos i ndustriales,vehículosNO2 Primaria y secundaria gas Vehículos, es tufas decocina de gas.CO Primaria gas Vehículos,combustionesinteriores, humo detabacoCOVs Primaria y secundaria gas CombustionesinterioresPb Primaria Sólido partículas finas Vehículos, industriaO3 Secundaria gas Vehículos ( secundarioo foto-oxidación deNO2 y COVsTabla 7 Fuente: SEMARNATPM10 : Partículas con tamaño inferior a 10 um.2.3 Tipos de contaminantes.Existen distintas formas para clasificar a los contaminantes. Según su origen,se distinguen los naturales y los antropogénicos. Los primeros se deben a l osfenómenos en l os c uales n o i nterviene el ho mbre, por ej emplo: er upciones,incendios accidentales, producción de gases en pantanos, diseminación de polenpor el viento, etc. En cambio, los antropogénicos se derivan de las actividades delhombre.
  33. 33. 28Los contaminantes también se clasifican en primarios y secundarios, segúnsean ar rojados t al c ual a l a at mósfera, o bien s e forme en el la debi do a l asreacciones q uímicas r esultado d e l a presencia d e di versos c ompuestos y a l aacción de la luz solar. (Jiménez, 2008)Otra c lasificación es por s u estado físico, es d ecir por el tamaño de laspartículas contaminantes en es te c aso l os contaminantes se ag rupan en lassiguientes familias: Compuestos inorgánicos de carbono Compuestos derivados del azufre Hidrocarburos Compuestos del nitrógeno Oxidantes fotoquímicos Metales Partículas2.4 Efectos de la contaminación en la salud humanaEl aire que respiramos está formado por muchos componentes químicos. Loscomponentes pr imarios del aire son el nitrógeno (N2), oxígeno ( O2) y vapor deagua (H2O). En el aire también se encuentran pequeñas cantidades de muchasotras sustancias, incluidas el Dióxido de carbono, Argón, Neón, Helio, Hidrógeno yMetano.Componentes primarios del aire y otras sustanciasFigura 9. Fuente: www.cepis.org
  34. 34. 29Las actividades humanas han tenido un efecto perjudicial en la composicióndel ai re. La quema d e c ombustibles fósiles y ot ras ac tividades i ndustriales hancambiado su composición debido a l a introducción de contaminantes, incluidos elel di óxido de azufre ( SO2), m onóxido d e c arbono ( CO), compuestos or gánicosvolátiles ( COV), óx idos de ni trógeno (NOx) y par tículas s ólidas y l íquidasconocidas como material particulado. Aunque todos estos contaminantes puedenser g enerados p or f uentes n aturales, l as a ctividades humanas h an au mentadosignificativamente su presencia en el aire que respiramos.Nube de contaminantes de origen natural y antropogénicoFigura 10 Fuente: www.cepis.orgLos contaminantes del aire pueden tener un efecto sobre la salud y el bienestarde l os seres hu manos. U n efecto se define c omo un c ambio perjudicialmensurable u observable d ebido a un c ontaminante del ai re. U n c ontaminantepuede afectar l a s alud d e l os s eres hu manos, así c omo l a d e las pl antas yanimales. Los contaminantes t ambién pueden afectar l os m ateriales no v ivoscomo pinturas, metales y telas.
  35. 35. 30Ciudad industrializada con nubes de contaminaciónFigura 11 Fuente: energyconsulting.files.com¿Cómo la contaminación del aire afecta nuestra salud?La contaminación del aire tiene un efecto directo sobre la salud humana. Encasos ex tremos, h a c ausado m uertes como r esultado d e l a c ombinación d ecaracterísticas geográficas i nusuales c on factores c limáticos. Por ejemplo, elepisodio d e c ontaminación del ai re en Donora, P ennsylvania, en l os E stadosUnidos en 194 8 ocasionó 2 0 m uertes y m ás de 5 ,000 en fermos. E sto es unejemplo de los graves efectos adversos que resultan del exceso de población y deindustrias, j unto c on ciertos factores g eográficos y m eteorológicos en u n ár eaconcentrada. Ver figura 11.La exposición a contaminantes del aire puede causar efectos agudos (a cortoplazo) y crónicos (a largo plazo) en la salud. Usualmente, los efectos agudos soninmediatos y reversibles cuando cesa la exposición al contaminante. Los efectosagudos más comunes son la irritación de los ojos, dolor de cabeza y náuseas.A veces los efectos crónicos tardan en manifestarse, duran indefinidamente ytienden a ser irreversibles. Los efectos crónicos en la salud incluyen la disminuciónde l a c apacidad pul monar y cáncer a l os pul mones d ebido a un pr olongado
  36. 36. 31período de exposición a c ontaminantes tóxicos del aire, tales como el asbesto yberilio.El sistema respiratorio y la contaminación del aireAunque los contaminantes pueden afectar a la piel, ojos y otros sistemas delcuerpo, el más perjudicado es el sistema r espiratorio. L as s iguiente figura ( 12)muestra los componentes de este sistema. El aire se inhala por la nariz que actúacomo el sistema filtrante primario del cuerpo.La contaminación del aire afecta principalmente al sistema respiratorioFigura 12. Fuente: www.cepis.orgLos pelos pequeños y las condiciones calientes y húmedas de la narizeliminan eficazmente las partículas contaminantes de mayor tamaño. Luego el airepasa por la faringe, y laringe antes de llegar a la parte superior de la tráquea.La t ráquea s e divide en dos p artes, l os br onquios i zquierdo y der echo.Cada bronquio se subdivide en compartimentos cada vez más pequeños llamadosbronquiolos q ue c ontienen m illones d e bolsas de ai re l lamados al veolos. Losbronquiolos y alveolos, constituyen los pulmones. Los contaminantes de aire, tantogaseosos como particulados, pueden tener efectos negativos sobre los pulmones.
  37. 37. 32Las partículas s ólidas s e pue den i mpregnar en l as paredes de l a t ráquea,bronquios y br onquiolos. La m ayoría de estas par tículas s e el iminan de l ospulmones m ediante l a acción d e l impieza ( barrido) de l os c ilios, peq ueñosfilamentos de las paredes de los pulmones. Esto es lo que ocurre cuando se toseo es tornuda. Una t os o estornudo transporta las par tículas a l a boc a. Laspartículas s e el iminan cuando s on i ngeridas o ex pulsadas d el c uerpo. Sinembargo, l as partículas s umamente pequeñas pueden al canzar l os al veolos,donde a menudo toma semanas, meses o incluso años para que el cuerpo laselimine.Los contaminantes gaseosos del aire también pueden afectar la función delos pul mones mediante l a r educción de l a acción de los c ilios. La r espiracióncontinua d e ai re c ontaminado disminuye l a f unción d e l impieza nor mal de l ospulmones, lo que puede ocasionar que gran número de p artículas lleguen a laspartes inferiores del pulmón. Ver figura 13.Resulta difícil para los pulmones remover las partículas sumamentepequeñasFigura 13. Fuente: www.cepis.org
  38. 38. 33Los pulmones son los órganos responsables de absorber el oxígeno del airey remover el dióxido de carbono del torrente sanguíneo. El daño causado a lospulmones por la contaminación del aire pue de imposibilitar e ste pr oceso ycontribuir a l a aparición de enfermedades r espiratorias c omo l a br onquitis,enfisema y cáncer. También puede afectar el corazón y el sistema circulatorio.Contaminación del aireLa contaminación del aire ocurre tanto en exteriores (ambiental) como eninteriores. L os e fectos de l a contaminación d el ai re s obre l a s alud v aríanenormemente de persona en persona. Los más afectados por la contaminación delaire s on l os ancianos, l actantes, mujeres embarazadas y en fermos c rónicos de lpulmón y corazón, f igura 14. Las personas q ue h acen ej ercicios al ai re l ibretambién es tán pr opensas pues r espiran m ás r ápida y profundamente, l o q uepermite el i ngreso d e m ás contaminantes a l os p ulmones. Lo s c orredores yciclistas que se ejercitan en áreas de gran tránsito se pueden estar causando másdaño que beneficio.Personas más afectadas por la contaminación atmosféricaFigura 14. Fuente: www.cepis.org
  39. 39. 34El “ smog f otoquímico” ( niebla fotoquímica) es un t érmino d e l acontaminación del aire que se usa diariamente. En realidad, el smog fotoquímicoes ozono a nivel del suelo formado por la reacción de los contaminantes con la luzsolar. Éste tiene un efecto perjudicial sobre la salud de los grupos de al to riesgomencionados anteriormente. En las ciudades de M éxico, S antiago y S ao P aulo,por ejemplo, los periódicos y emisoras de radio informan diariamente índices de lacalidad del aire para alertar a l as personas en r iesgo que se encuentran al airelibre. Estos índices son una medida de l os niveles de c ontaminantes y partículasen el aire.Efectos indirectos de la contaminación del aireLa posibilidad cada vez más creciente de contraer cáncer de piel es unefecto indirecto de la contaminación del aire sobre la salud. Aunque el ozono en laatmósfera i nferior es perjudicial p ara el ambiente, e n l a atmósfera s uperior esnecesario para proteger a la tierra de la nociva radiación ultravioleta.Esta c apa protectora s e es tá da ñando debido a l a d escarga masiva declorofluorocarbonos ( CFC) en l a at mósfera. E stos c ompuestos se u sancomúnmente en r efrigeradores y aparatos de aire acondicionado y como gas enatomizadores de aerosol.Contaminación del aire en interioresLos efectos de la contaminación del aire en interiores han recibido mayoratención en los últimos años porque es allí donde las personas pasan casi 90 porciento de su tiempo. Diversos estudios han indicado que la exposición a al gunoscontaminantes puede ser dos a cinco veces mayor en i nteriores que al aire libre.Hay muchos t ipos de c ontaminantes de i nteriores, t ales c omo el humo de losartefactos, c himeneas y c igarrillos; contaminantes or gánicos de l as pi nturas,colorantes, limpiadores y materiales de construcción; y el radón.
  40. 40. 35La contaminación en interiores puede ser de dos a cinco veces mayor que alaire libreFigura 15 Fuente: www.cepis.orgEl radón es un gas que se presenta de forma natural, no tiene olor ni colory es radiactivo. Sus efectos sobre la salud humana son importantes porque es elsegundo f actor, después d el c igarrillo, q ue pr oduce c áncer al pul món.Afortunadamente, l os niveles de r adón s e pueden r educir c on la c irculación delaire y ventilación adecuada.Los contaminantes c riterio s on aquellos par a l os c uales s e ha nestablecido normas nacionales de calidad del aire. Los contaminantes criterio sonel monóxido de carbono, ozono, óxidos de azufre, material particulado, óxidos denitrógeno y pl omo. L os c ontaminantes peligrosos i ncluyen varios c ompuestosorgánicos volátiles, asbesto, cloruro de vinilo y mercurio, entre otros.La contaminación del aire tiene un efecto perjudicial sobre casi todas lasfases de nuestras v idas. Además d e l os e fectos s obre l a salud tratadosanteriormente, hay muchos otros efectos secundarios sobre la vegetación, suelo,agua, materiales hechos por el hombre, clima y visibilidad.
  41. 41. 36OzonoDesde 1 970 s e h a es tudiado l os efectos de l a c ontaminación del ai resobre los cultivos, árboles y otro tipo de vegetación. Las investigaciones de campoy ex perimentos de i nvernadero han r evelado q ue el ozono es tóxico par a l asplantas y puede destruir variados c ultivos c omerciales, v er f igura 16. Existenpruebas de q ue el i ncremento d e r adiación ul travioleta debi do a l a pér dida d eozono en l a atmósfera superior está afectando el ciclo de crecimiento normal delas plantas.El ozono es tóxico para las plantasFigura 16 www.cepis.orgLluvia ácida.De i gual modo, l a l luvia ác ida a fecta cultivos c omo l a av ena, alfalfa,guisantes, zanahorias, y también áreas forestales; ha recibido mucha atención anivel internacional. S e f orma c uando l os c ontaminantes del aire, t ales c omo e ldióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx) se transforman en ácidos enla atmósfera.
  42. 42. 37Posteriormente, la precipitación resultante (lluvia, nieve o niebla) deposita losácidos e n l agos y suelos. E l c ontrol de l a lluvia ác ida s e ha c onvertido en unapreocupación internacional, ya que a menudo la fuente de estos contaminantes seencuentra al ejada del lugar dond e s e r egistran l os e fectos. Los e fectos d e lacontaminación del aire.Las investigaciones han i ndicado que ésta acidez puede destruir o dañarla fauna silvestre de l agos y arroyos, y también las construcciones hechas por elhombre, tales como los edificios y monumentos al aire libre. Las estatuas antiguasde Grecia e Italia han sido dañadas considerablemente por la lluvia ácida. Verfigura 17.Afectaciones a monumentos históricos por efectos de la lluvia ácidaFigura 17 Fuente: http://estadosunidos.pordescubrir.com/VisibilidadLa contaminación del aire también afecta la visibilidad. Esto ha dado lugara pr oblemas r elacionados c on l a seguridad de l a op eración d e los aviones y ladestrucción de paisajes naturales. Por ejemplo, la visibilidad del Gran Cañón enlos Estados Unidos ha sido afectada por la contaminación del aire generada por elhombre a cientos de kilómetros de distancia.
  43. 43. 38Calentamiento de la atmósferaExisten pr uebas de q ue l a contaminación del ai re contribuye alcalentamiento de la atmósfera o al efecto invernadero. La quema de combustiblesfósiles emite demasiado dióxido de carbono a la atmósfera.Normalmente, el di óxido de c arbono no es pel igroso y a que es un al imentonecesario para las plantas, pero la cantidad que se produce es mucho mayor quela requerida por la vegetación.El dióxido de c arbono forma un manto sobre la superficie de la tierra yatrapa el calor reflejado del suelo. El efecto es similar al de un automóvil cerrado oun invernadero, de allí el término de efecto invernadero como se ejemplifica en lafigura 18.Los científicos han pronosticado que en los próximos cincuenta años elcalentamiento del planeta podría elevar la temperatura tres a nueve grados másque los promedios actuales. Los efectos de la contaminación del aire como se havisto, la contaminación del aire afecta nuestras vidas en muchos aspectos. Lasfuentes primarias de contaminación del aire son las fábricas y l as comodidadesmodernas de las que dependemos para el crecimiento económico y estilo de vida.Equilibrar el desarrollo económico con la necesidad de proteger a la población delos riesgos de l a contaminación del aire sobre la salud y el bienestar es un r etoque enfrentan los países.En el efecto invernadero el CO2 la disipación del calor y contaminantesFigura 18 Fuente: www.cepis.org
  44. 44. 39Capitulo 3. Transporte y dispersión de contaminantes atmosféricosObjetivo Educacional. Obtener los conocimientos básicos sobre el transporte ydispersión de c ontaminantes at mosféricos y l a apl icación d e s oftware p ara l asimulación de la dispersión.3.1 Conceptos básicosEn general, la concentración de contaminantes disminuye a m edida que sealejan del pu nto d e d escarga y s on di spersados por el v iento y ot ras f uerzasnaturales. Las variaciones del clima influyen en la dirección y dispersión generalde los contaminantes.La di spersión y t ransporte de c ontaminantes p ueden estar a fectados p orfactores c limáticos y g eográficos. U n ej emplo es l a i nversión t érmica. C omo s emencionó a nteriormente, l a i nversión t érmica es un a c ondición at mosféricacausada por una interrupción del perfil normal de la temperatura de la atmósfera.La inversión térmica puede retener el ascenso y dispersión de los contaminantesde l as c apas más ba jas de l a at mósfera y c ausar un pr oblema l ocalizado decontaminación del aire. Los episodios que tuvieron lugar en Londres, Inglaterra, yDonora, Pennsylvania, fueron el resultado de inversiones térmicas.La proximidad de una gran área metropolitana a una cadena de montañastambién p uede t ener un e fecto neg ativo s obre el t ransporte y di spersión decontaminantes, como lo es el centro del país.La c alidad d e ai re en un a z ona, y c omo c onsecuencia d e l os e fectosinducidos sobre la misma, son función directa de l a cuantía de e misión y de l osfenómenos de circulación que tengan lugar en l a atmósfera sobre los penachosque conforman los gases y las partículas emitidas por un foco contaminante.
  45. 45. 40La mecánica clásica establece que conociendo la posición y velocidadde las partículas de un sistema en un determinado instante, es posible deducir elcomportamiento ulterior de las mismas.Ahora bien, cuando se trata de analizar sistemas compuestos de miles omillones d e par tículas, c omo es el c aso e n un e fluente g aseoso, es i mposibleacceder a esa cantidad de datos y procesarlos. Lo que se hace en estos casos esinvolucrar en el cálculo magnitudes físicas que reflejen el estado del sistema comoun todo, sin ser indicativo de la situación de cada partícula. Así si se dice que unamasa d e g as t iene u na t emperatura d e 2 0ºC, es o n o q uiere decir q ue c adapartícula tenga esa temperatura. Solo podemos afirmar que el intercambio de calorentre l as p artículas y el t ermómetro h ace que el mismo s e c omporte c omo s ihubiera entrado en c ontacto con una masa uniforme con todas sus partículas a20ºC. El mismo razonamiento puede aplicarse al resto de l as magnitudes físicascomo presión, velocidad, etc.Para predecir el comportamiento de ese sistema no uniforme a partir dedatos globales, se aplica un modelo matemático que se crea tomando estos datosglobales y suposiciones acerca del comportamiento de las partículas. El modeloserá efectivo si no se contradice con los experimentos realizados.En el c aso de un efluente g aseoso, el modelo describe c omo s edispersa el e fluente e n l a at mósfera de ac uerdo a determinados par ámetros desalida del c onducto ( velocidad, c audal, t ipo de e fluente, t emperatura, pr esión,etc.).3.2 Circulación global de los contaminantesEl transporte y dispersión de contaminantes del aire están influenciadospor c omplejos factores. Las v ariaciones g lobales y r egionales d el c lima y lascondiciones t opográficas l ocales a fectan el t ransporte y di spersión de l oscontaminantes.
  46. 46. 41Esta sección trata sobre los factores básicos que influyen el movimiento delos co ntaminantes en el aire. En una es cala m undial, las variaciones del climainfluyen s obre el m ovimiento de l os c ontaminantes. P or ej emplo, l a di recciónpredominante de los vientos en Centroamérica y norte de Sudamérica es de este aoeste y en Norteamérica y sur de Sudamérica es de oeste a este. En un nivel máslocal, l os pr incipales f actores d el t ransporte y di spersión de par tículas en l aatmósfera son el viento y la temperatura.La di spersión de c ontaminantes de una fuente d epende de la cantidad deturbulencia en l a at mósfera c ercana. L a t urbulencia pue de s er c reada por e lmovimiento horizontal y vertical de l a atmósfera. El movimiento horizontal es loque comúnmente se llamamos viento.La velocidad del viento puede afectar en gran medida la concentración decontaminantes en un área. Mientras mayor sea la velocidad del viento, menor serála concentración de contaminantes en una zona determinada. E l viento diluye ydispersa rápidamente los contaminantes en el área circundante.El viento es causado por las diferencias en la presión atmosférica. La presiónes el pes o de l a at mósfera en u n pun to d ado. L a al tura y t emperatura de u nacolumna de aire determinan el peso atmosférico.Debido a que el aire frío pesa más que el caliente, la masa de alta presiónestá constituida de aire frío y pesado. Por el contrario, una masa de baja presiónde aire está formada por aire más caliente y liviano. Las diferencias de pr esiónhacen que el aire se mueva de las áreas de alta presión a las de baja presión, loque da lugar al viento.
  47. 47. 42El movimiento vertical de l a at mósfera t ambién afecta el t ransporte ydispersión de l os contaminantes del aire. Cuando los meteorólogos hablan sobrela “e stabilidad a tmosférica” hac en r eferencia al m ovimiento v ertical. Lascondiciones atmosféricas i nestables pr oducen l a m ezcla v ertical. G eneralmente,durante el día el aire cerca de l a superficie de la tierra es más caliente y livianoque el aire en l a atmósfera superior debido a la absorción de l a energía solar. Elaire caliente y liviano de la superficie sube y se mezcla con el aire frío y pesado dela atmósfera superior que tiende a bajar. Este movimiento constante del aire creacondiciones inestables y dispersa el aire contaminado. Figura 19.Movimiento horizontal diurno del aireFigura 19 Fuente: www.cepis.orgOtros fa ctores meteorológicos bás icos q ue af ectan l a c oncentración decontaminantes en el aire ambiental son: Radiación solar Precipitación Humedad.
  48. 48. 43La r adiación s olar contribuye a l a formación d e ozono y c ontaminantessecundarios en el aire. La humedad y la precipitación también pueden favorecer laaparición de c ontaminantes s ecundarios peligrosos, t ales c omo l as s ustanciasresponsables de la lluvia ácida. La precipitación puede tener un efecto beneficiosoporque l ava l as par tículas c ontaminantes del ai re y a yuda a m inimizar l aspartículas provenientes de actividades como la construcción y algunos procesosindustriales.Debido a l os f actores q ue det erminan el t ransporte y di spersión de l oscontaminantes, l a c ontaminación del ai re pr oducida en una r egión pue de t enerefectos adversos sobre los lagos y bosques de otra región. Las grandes ciudadesrodeadas de una topografía compleja, como valles o cadenas montañosas comolo es el v alle de M éxico, a m enudo ex perimentan al tas c oncentraciones d econtaminantes del ai re. S i bi en p oco puede hac erse para c ontrolar l as f uerzasnaturales que crean estos problemas, existen técnicas que ayudan a dispersar loscontaminantes.3.3. Características generales de las plumas y chimeneasLa manera más común de dispersar los contaminantes del aire es a travésde una chimenea. Esta a menudo se usa como un símbolo de la contaminacióndel aire. Es una estructura que se ve comúnmente en l a mayoría de i ndustrias ytiene el obj etivo de dispersar los c ontaminantes antes d e q ue lleguen a laspoblaciones.Generalmente se diseñan teniendo en cuenta a la comunidad circundante.Mientras m ás al ta s ea l a c himenea, m ayor s erá l a pr obabilidad d e q ue l oscontaminantes se dispersen y diluyan antes de afectar a las poblaciones vecinas.Figura 20.
  49. 49. 44Colocación de chimeneas en zonas cercanas a poblacionesFigura 20 Fuente: www.jmarcano.com › Recursos naturalesA la emanación visible de una chimenea se le denomina pluma. La alturade la pluma está determinada por la velocidad y empuje de los gases que salenpor la chimenea. A menudo, se añade energía calórica a los gases para aumentarla altura de la pluma. Las fuerzas naturales hacen que la pluma tenga velocidadvertical, 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 delos alrededores inmediatos sobre la forma de la pluma. Mientras más corta sea lachimenea, mayor será la probabilidad de que la pluma esté afectada.
  50. 50. 45Efectos de la altura sobre la forma de la plumaFigura 21 Fuente: www.jmarcano.com › Recursos naturalesEn la figura (a) se observa la distribución de los contaminantes inyectadosdentro y fuera de la cavidad y el efecto de la pluma, mientras que en la figura (b)se observa el diseño aerodinámico de una chimenea por la "cavidad" formadapor el edi ficio pr óximo a l a c himenea. A medida q ue a umenta l a al tura de l achimenea, la pluma se aleja del edificio.La forma y l a di rección d e l a pl uma t ambién d ependen de l as fuerzasverticales y hor izontales de l a a tmósfera. C omo s e m encionó a nteriormente, l apluma está afectada por las condiciones atmosféricas. Las condiciones inestablesen l a at mósfera pr oducirán una pluma “ ondulante”, m ientras q ue l as es tablesharán q ue l a pluma s ea “ recta”. Los contaminantes e mitidos por l as c himeneaspueden transportarse a largas distancias.
  51. 51. 463.4 Modelos de dispersiónLos modelos de dispersión son un método para calcular la concentración decontaminantes a ni vel del ai re y a di versas di stancias de l a fuente. E n l aelaboración de modelos s e us an r epresentaciones matemáticas de l os factoresque a fectan l a di spersión d e c ontaminantes. Las c omputadoras, mediantemodelos, facilitan la representación de los complejos sistemas que determinan eltransporte y dispersión de los contaminantes del aire. Figura 22.Cuando se hace un modelo del transporte y dispersión de contaminantesdel ai re s e r ecopila i nformación es pecífica de un p unto de em isión. E stainformación i ncluye l a ubi cación d el pun to de em isión ( longitud y l atitud), l acantidad y t ipo de l os c ontaminantes e mitidos, c ondiciones del g as de lachimenea, altura de la chimenea y factores meteorológicos tales como la velocidaddel viento, perfil de la temperatura ambiental y presión atmosférica.Los científicos usan estos datos como insumo del modelo de computación ypara predecir cómo los contaminantes se dispersarán en la atmósfera. Los nivelesde c oncentración pueden c alcularse para diversas di stancias y di rección d e l achimenea.Modelos de dispersiónFigura 22 Fuente: www.natureduca.com/cont_atmosf_fuentes.php
  52. 52. 47Los modelos de dispersión tienen muchas aplicaciones en el control de l acontaminación del aire, p ues s on herramientas q ue ay udan a l os c ientíficos aevaluar l a di spersión de l a contaminación d el ai re. La ex actitud de l os m odelosestá l imitada por l os problemas i nherentes al t ratar de s implificar l os factorescomplejos e i nterrelacionados q ue afectan el t ransporte y di spersión de l oscontaminantes del aire.3.5 Características generales de las chimeneasSe d efinen c omo t ales a l os c onductos c onstruidos par a dar s alida a l aatmósfera libre a gases resultantes de una combustión o de una reacción química(“gases de cola”) para su dispersión en el aire del ambiente. Figura 23.Es u n s istema usado par a ev acuar gases c alientes y hum o d e c alderas,calentadores, es tufas, hor nos, fogones u hogares a l a a tmósfera. C omo n ormageneral s on c ompletamente v erticales par a as egurar q ue l os g ases c alientespuedan f luir sin problemas, m oviéndose p or c onvección t érmica ( diferencia dedensidades).Algunas chimeneas industrialesFigura.23 Fuente: Ruperto M. Palazón)
  53. 53. 48En la definición de una chimenea intervienen, fundamentalmente, lossiguientes elementos:1. Sección interior, o de paso de gases2. Altura2.1. Para dispersión de gases en la atmósfera libre2.2. Para la obtención de una depresión mínima determinada en su base3. Tipo de material estructural (o externo)3.1. Resistencia a las acciones externas3.1.1 Viento3.1.2. Sismos3.2. Cimentación (conocimiento de la geología del terreno)4. Tipo de material de revestimiento interior4.1. Resistencia a la temperatura y ataque físico-químico de los gases Para determinar las características de una chimenea es imprescindibleconocer el tipo de fluido que se espera que circule por ella. Normalmente se trata de humos producto de la combustión de combustiblesfósiles, en aire-ambiente: Carbón Derivados líquidos o gaseosos del petróleo Madera. Sin e mbargo, a un en es tos c asos, hay q ue t ener en c uenta l a pos ible“contaminación” de e stos hu mos c on s ustancias des prendidas de l osprocesos e n l os q ue i ntervienen, c omo por ej emplo, l os h ornos dereverbero.
  54. 54. 49En el c aso frecuente de c ombustibles l íquidos ( fuel-oil, g asoil, e tc.) ogaseosos ( hidrocarburos g aseosos o “ gas natural”), figura 24, estos hu mos s ecomponen de:Composición de los contaminantes provenientes de la combustión dehidrocarburosFigura 24 Fuente: Ruperto M. PalazónEn estos casos, las propiedades de los humos se acercan a las del aire. Porestas razones, y a efectos de cálculos técnicos y en una primera aproximación sepueden tomar como propiedades de los humos de la combustión de derivados delpetróleo, las del aire.Algunos factores importantes en el diseño de chimenea se enlistan a continuación: La sección de paso de los humos por la chimeneaLa velocidad mínima de evacuación d e l os hum os p or l a c oronación de l achimenea suele venir fijada por la normativa correspondiente de la administraciónpública del lugar.
  55. 55. 50A modo de orientación, puede decirse que las velocidades medias deberíanoscilar entre un mínimo de 3 m/s y los 10 m/s. Una velocidad media de 5 m/s sueleconsiderarse como adecuada. La altura de la chimeneaPara la dispersión de los humos en l a atmósfera libre. La altura mínima deuna chimenea em itiendo g ases c onsiderados por l a l egislación U .E. c omocontaminantes, viene determinada por la normativa correspondiente del lugar en elque se ubique.De acuerdo a la NMX-009-SEMARNAT• El diámetro de la chimenea es indispensable para determinar la altura de lamisma.• Después de la Última perturbación la altura deberá ser:• 8 veces el Diámetro = se encuentra 1 puerto (B).• 2 veces el Diámetro = la altura final del puerto (A). Figura 25Características de la chimeneaFigura .25 Fuente: Ruperto M. Palazón
  56. 56. 513.6 Calculo de la altura efectiva de la chimeneaLos g ases em itidos por l as c himeneas m uchas v eces s on i mpulsados p orabanicos. A medida que l os g ases de es cape t urbulentos s on em itidos por l apluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en lapluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta sudiámetro mientras viaja a sotavento.Al entrar en la atmósfera, estos gases tienen un momentum. Muchas vecesse c alientan y s e v uelven m ás c álidos q ue el ai re externo. En estos c asos, l osgases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes. Lacombinación del momentum y l a f lotabilidad de l os g ases hac en q ue es tos s eeleven. E ste fenómeno, c onocido c omo el evación de l a pl uma, p ermite q ue l oscontaminantes e mitidos al ai re en es ta c orriente de g as s e el even a una al turamayor en l a atmósfera. Al estar en una capa atmosférica más alta y más alejadadel suelo, la pluma experimentará una mayor dispersión antes de llegar a este.La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva de chimenea (H),es la suma de la altura física de la chimenea (hs) y la elevación de la pluma ( ).En r ealidad, l a el evación d e l a pluma s e es tima a par tir de l a di stanciaexistente hasta la línea central imaginaria de la pluma y no hasta el borde superioro i nferior de es ta ( figura 26) . La el evación de l a pl uma de pende de l ascaracterísticas físicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea).
  57. 57. 52La di ferencia de t emperatura e ntre el g as de l a c himenea ( Ts) y el aireambiental ( Ta) de termina l a densidad de l a pl uma, q ue i nfluye e n s u elevación.Además, l a v elocidad de l os g ases de l a c himenea, q ue es u na función d eldiámetro de la chimenea y de la tasa volumétrica del flujo de los gases de escape,determina el momentum de la pluma.Elevación de la plumaFigura 26 Fuente:Los g ases em itidos por l as c himeneas m uchas v eces s on i mpulsados p orabanicos. A medida que l os g ases de es cape turbulentos s on em itidos por l apluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en lapluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta sudiámetro mientras viaja a sotavento.arc.cnea.gov.ar/.../ModelosAl entrar en la atmósfera, estos gases tienen un momentum. Muchas vecesse c alientan y s e v uelven m ás c álidos q ue el ai re externo. En estos c asos, l osgases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes.
  58. 58. 53La combinación del momentum y la flotabilidad de los gases hacen que estosse eleven. Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma, permite que loscontaminantes e mitidos al ai re en es ta c orriente de g as s e el even a una al turamayor en l a atmósfera. Al estar en una capa atmosférica más alta y más alejadadel suelo, la pluma experimentará una mayor dispersión antes de llegar a este.Momentum y flotabilidadLa c ondición d e l a at mósfera, i ncluidos l os v ientos y el per fil de l atemperatura a l o largo del recorrido de la pluma, determinará en gran medida laelevación d e l a pl uma. D os c aracterísticas de es ta i nfluyen e n su el evación: e lmomentum y l a flotabilidad. La v elocidad de s alida d e l os g ases d e es capeemitidos p or l a c himenea c ontribuyen c on l a el evación de l a pl uma e n l aatmósfera. Este momentum conduce el efluente hacia el exterior de la chimenea aun punto en el que las condiciones atmosféricas empiezan a afectar a la pluma.Una v ez em itida, l a v elocidad i nicial de l a pl uma di sminuye r ápidamentedebido al ar rastre producido c uando adq uiere un momentum h orizontal. E stefenómeno hac e q ue la pl uma s e i ncline. A m ayor v elocidad del v iento, máshorizontal s erá el m omentum q ue adq uirirá l a pl uma. P or l o general, di chavelocidad aumenta con la distancia sobre la superficie de la Tierra. A medida quela pluma continúa elevándose, los vientos más fuertes hacen que se incline aúnmás. Este proceso persiste hasta que la pluma parece horizontal al suelo. El puntodonde la pluma parece llana puede ser una distancia considerable de la chimeneaa s otavento. La v elocidad del v iento es i mportante par a i mpulsar l a pl uma.Mientras más fuerte, más rápido será el serpenteo de la pluma.La el evación de la pl uma causada por s u flotabilidad es u na función de l adiferencia de temperatura e ntre l a pluma y l a at mósfera c ircundante. E n u naatmósfera inestable, la flotabilidad de la pluma aumenta a medida que se eleva, locual hace que se incremente la altura final de la pluma.
  59. 59. 54En un a at mósfera es table, l a flotabilidad de l a pl uma di sminuye a m edidaque se eleva. Por último, en una atmósfera neutral, permanece constante.La pl uma pi erde f lotabilidad a t ravés del m ismo mecanismo q ue l a hac eserpentear, el viento. C omo se m uestra en la f igura 27, l a mezcla de ntro de l apluma arrastra el aire atmosférico hacia su interior. A mayor velocidad del viento,más rápida será esta mezcla.El arrastre del aire a mbiental h acia l a pluma p or ac ción del viento figura, l e"quita" flotabilidad m uy rápidamente, de modo q ue dur ante l os dí as c on m uchoviento la pluma no se eleva muy alta sobre la chimenea.Arrastre de la pluma en chimeneaFig. 27 Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
  60. 60. 553.7 Efectos del tipo de fuente en la elevación de la plumaDebido a l a configuración de l a chimenea o a l os edificios adyacentes, esposible q ue l a pl uma no s e el eve l ibremente en l a at mósfera. Algunos e fectosaerodinámicos causados por el modo en el que se mueve el viento alrededor delos edificios adyacentes y de l a c himenea pue den impulsar a l a pluma hac ia elsuelo en lugar de permitir que se eleve en la atmósfera.El flujo descendente de la chimenea puede producirse cuando la razón entrela velocidad de salida de la chimenea y la del viento es pequeña. En este caso, lapresión b aja e n l a es tela de l a c himenea p uede hac er q ue l a pl uma desciendadetrás de la chimenea. Cuando esto sucede, la dispersión de los contaminantesdisminuye, lo que puede determinar concentraciones elevadas de contaminantesinmediatamente a sotavento de la fuente.A m edida q ue el ai re s e m ueve s obre y al rededor de l os e dificios y ot rasestructuras, se forman olas turbulentas. Según la altura de descarga de una pluma(altura de la chimenea), es probable que esta sea arrastrada hacia abajo en estaárea de l a estela. Esto se conoce como flujo descendente aerodinámico o ent reedificios d e l a pl uma y pu ede c onducir a c oncentraciones el evadas d econtaminantes inmediatamente a sotavento de la fuente.Flujo descendenteFigura 28 Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
  61. 61. 56La elevación de las plumas ha sido tema de estudio durante muchos años.Las fórmulas más usadas son las desarrolladas por Gary A. Briggs. La ec uaciónincluye una de estas, la que se aplica a las plumas dominadas por la flotabilidad.Las fórmulas de la elevación de l a pluma se usan en plumas con temperaturasmayores que la del aire ambiental. La fórmula de B riggs para la elevación de l apluma es la siguiente:Donde: ∆h = Elevación de la pluma (sobre la chimenea)F = Flujo de flotabilidad (véase a continuación)= Velocidad promedio del vientox = Distancia a sotavento de la chimenea/fuenteg = Aceleración debido a la gravedad (9,8 m/s2)V = Tasa volumétrica del flujo del gas de la chimeneaTs = Temperatura del gas de la chimeneaTa = Temperatura del aire ambientalComo se dijo anteriormente, las fórmulas de elevación de la pluma sirvenpara determinar la línea central imaginaria de esta. La línea central está donde seproducen las mayores concentraciones de contaminantes. Existen varias técnicaspara calcular las concentraciones de contaminantes lejos de la línea central.Las fórmulas de la elevación de la pluma se usan para determinar la líneaimaginaria de esta. Si bien la concentración máxima de la pluma existe en estalínea c entral, l as fórmulas m encionadas no per miten obt ener i nformación s obrecómo varían las concentraciones de contaminantes fuera de esta línea central.
  62. 62. 57Se deberán efectuar, entonces, estimados de dispersión para determinar lasconcentraciones de contaminantes en un punto de interés.Los es timados de di spersión s e d eterminan mediante e cuaciones dedistribución y/o modelos de c alidad del aire. E stos estimados generalmente sonválidos para la capa de la atmósfera más cercana al suelo, donde se producencambios frecuentes de la temperatura y de la distribución de los vientos. Estas dosvariables tienen un importante efecto en la forma de dispersión de las plumas. Porlo t anto, l as ec uaciones de di stribución y los m odelos de c alidad d el ai remencionados anteriormente deben incluir estos parámetros.Los modelos d e di spersión de c alidad d el ai re consisten en un grupo d eecuaciones matemáticas que sirven para interpretar y predecir las concentracionesde c ontaminantes c ausadas p or l a di spersión y por el i mpacto de l as pl umas.Estos modelos incluyen los estimados de dispersión mencionados anteriormente ylas diferentes condiciones meteorológicas, incluidos los factores relacionados conla temperatura, la velocidad del viento, la estabilidad y la topografía.Existen cuatro tipos genéricos de modelos: gausiano, numérico, estadístico yfísico. L os modelos g ausianos e mplean l a ecuación d e di stribución g ausiana yson ampliamente usados para estimar el impacto de contaminantes no r eactivos.En el caso de fuentes de ár eas urbanas que presentan contaminantes reactivos,los modelos numéricos son más apropiados que los gausianos pero requieren unainformación extremadamente detallada sobre la fuente y los contaminantes, y nose usan mucho.Los modelos estadísticos se emplean cuando la información científica sobrelos procesos químicos y físicos de una fuente están incompletos o son vagos. Porúltimo, están los modelos físicos, que requieren estudios de modelos del fluido oen túneles aerodinámicos del viento.
  63. 63. 58La adopción de este enfoque implica la elaboración de modelos en escala yla observación del flujo en estos. Este tipo de modelos es muy complejo y requiereasesoría t écnica d e e xpertos. S in em bargo, en el c aso de áreas c on t errenoscomplejos y c ondiciones del flujo t ambién c omplejas, flujos d escendentes de l achimenea, y edificios altos, esta puede ser la mejor opción.La s elección de un m odelo de c alidad del ai re depende d el t ipo decontaminantes emitidos, de la complejidad de la fuente y del tipo de topografía querodea la instalación. Algunos contaminantes se forman a partir de la combinaciónde c ontaminantes pr ecursores. P or ej emplo, el oz ono e n el nivel del s uelo seforma cuando los compuestos orgánicos volátiles (COV) y los óxidos de nitrógeno(NOx) actúan bajo la acción de la luz solar.Los modelos para predecir las concentraciones de ozono en el nivel del sueloemplearían la tasa de emisión de COV y NOx como datos de entrada. Además,algunos contaminantes r eaccionan fácilmente una v ez que s on em itidos en l aatmósfera. Estas reacciones reducen las concentraciones y puede ser necesarioconsiderarlas en el modelo. La c omplejidad de l a fuente también desempeña unpapel en l a s elección. A lgunos c ontaminantes y puede n s er em itidos des dechimeneas bajas sujetas a flujos descendentes aerodinámicos. Si este es el caso,se debe emplear un modelo que considere el fenómeno.En la dispersión de las plumas y los contaminantes, la topografía es un factorimportante q ue deb e s er c onsiderado al s eleccionar u n m odelo. Las pl umaselevadas pueden tener un impacto en áreas de terrenos altos. Las alturas de estetipo de terrenos pueden experimentar mayores concentraciones de contaminantesdebido a que se encuentran más cerca de la línea central de la pluma.
  64. 64. 59En el c aso q ue ex istan t errenos el evados, s e debe us ar un m odelo q ueconsidere este hecho3.8 Tipos de plumasEl grado de estabilidad atmosférica y la altura de mezcla resultante tienen unimportante efecto en las concentraciones de contaminantes en el aire ambiental.Si bien en la discusión sobre la mezcla vertical no hemos abordado el movimientohorizontal del ai re, o el v iento, es i mportante s aber q ue es te s e pr oduce bajocondiciones de inversión. Los c ontaminantes q ue n o se p ueden dispersar h aciaarriba lo pueden hacer horizontalmente a t ravés de l os vientos superficiales. Lacombinación de l os movimientos v erticales y hor izontales del a ire i nfluye en elcomportamiento de las plumas de fuentes puntuales (chimeneas). S in em bargo,en es ta l ección s e d escribirán l os di versos t ipos de pl umas c aracterísticos dediferentes condiciones de estabilidad. La pluma de espiral de la figura se produceen condiciones muy inestables debido a la turbulencia causada por el aceleradogiro del ai re. M ientras l as c ondiciones i nestables g eneralmente s on favorablespara la dispersión de los contaminantes, algunas veces se pueden producir altasconcentraciones momentáneas en el nivel del suelo si los espirales de la pluma semueven hacia la superficie.Pluma en espiralFigura 29 Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
  65. 65. 60La pl uma de ab anico s e pr oduce en c ondiciones estables, f igura 30. Elgradiente de inversión inhibe el movimiento vertical sin impedir el horizontal y lapluma s e p uede ex tender p or v arios k ilómetros a s otavento d e l a f uente. L asplumas de ab anico ocurren con frecuencia en las primeras horas de l a mañanadurante una inversión por radiación.Pluma de abanicoFigura 30 Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../ModelosLa pl uma d e cono es c aracterística de l as c ondiciones neu trales oligeramente estables. Este tipo de plumas tiene mayor probabilidad de producirseen días nubosos o soleados, entre la interrupción de una inversión por radiación yel desarrollo de condiciones diurnas inestables.Pluma tipo conoFigura 31 Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
  66. 66. 61Obviamente, un problema importante para la dispersión de los contaminanteses la presencia de u na capa de i nversión, que actúa como una barrera para lamezcla vertical. Durante una inversión, la altura de una chimenea en relación conla de una capa de inversión muchas veces puede influir en la concentración de loscontaminantes en el nivel del suelo.Cuando las condiciones son inestables sobre una i nversión l a descarga deuna pluma s obre esta da l ugar a u na dispersión efectiva s in c oncentracionesnotorias en el ni vel del s uelo al rededor de l a f uente. E sta c ondición s e c onocecomo flotación. Figura 32.Pluma de flotaciónFigura 32 Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../ModelosSi la pluma se libera justo debajo de una capa de inversión, es probable quese desarrolle una grave situación de contaminación del aire. Ya que el suelo secalienta dur ante l a mañana, el ai re q ue s e enc uentra d ebajo d e l a mencionadacapa s e v uelve i nestable. C uando l a i nestabilidad al canza el ni vel de l a pl umaentrampada bajo la capa de i nversión, los contaminantes se pueden transportarrápidamente hacia abajo hasta llegar al suelo.
  67. 67. 62Este fenómeno se conoce como fumigación, figura 33. Las concentracionesde contaminantes en el nivel del suelo pueden ser muy altas cuando se produce lafumigación. Esta se puede prevenir si las chimeneas son suficientemente altas.Pluma de fumigaciónFigura 33 Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../ModelosHasta es te punto, hemos des arrollado l as c ondiciones y ev entosmeteorológicos bás icos q ue i nfluyen e n e l m ovimiento y l a di spersión de l oscontaminantes del aire en la atmósfera.
  68. 68. 63Capitulo 4 MonitoreoObjetivo educacional. Conocer l as t écnicas de m onitoreo y det erminar s uaplicación por tipo de fuente.4.1 Monitoreo en fuentes móviles y factores de emisiónEn t odas l as g randes ár eas urbanas l a mayor fuente de c ontaminaciónatmosférica l a c onstituye l os v ehículos aut omotores. Los m ismos emiten g asesorgánicos totales (TOG), monóxido de c arbono (CO), óxidos de n itrógeno (NOx),óxidos de azufre (SOx) y material particulado (PM) entre otros, que constituyen loscontaminantes criterio (Radian International, 1997).Se ent iende p or Monitoreo Ambiental como aq uellas Metodologíasdiseñadas par a t omar m uestras, analizar y procesar l a i nformación a f in dedeterminar l as c oncentraciones d e s ustancias o c ontaminantes p resentes en unlugar y durante un tiempo determinado.¿Cómo podemos determinar la concentración de los contaminantes atmosféricos?Con Equipos del tipo: Automático ⇒ medidas en tiempo real. Continuos ⇒ promedio del tiempo de muestreo 8 a24 horas. Pasivos ⇒ difusión, deposición, 1 a 4 semanas.A continuación se describirán las características de cada uno de los equipos:Analizadores o monitores automáticos: (para l a m edición d e c ontaminaciónatmosférica (SO2, NOx, CO, O3, Hidrocarburos, Partículas en suspensión). Puedenser ac tivos o pas ivos de ac uerdo a c omo es i mpulsado el ai re hac ia el
  69. 69. 64detector. Funcionan e n forma c ontinua al macenando l os promedios h orarios,durante las 24 hor as en la memoria de l a estación. Estos instrumentos se basanen propiedades físicas o químicas del gas que va a ser detectado continuamente,utilizando métodos optoelectrónicos.El aire muestreado entra en una cámara de reacción donde, ya sea por unapropiedad ó ptica d el g as q ue pueda medirse di rectamente o p or una r eacciónquímica que produzca quimiluminiscencia o luz fluorescente, se mide esta luz pormedio de un d etector q ue pr oduce u na s eñal el éctrica pr oporcional a l aconcentración del contaminante muestreado.Ventajas: - Valores a tiempo real- Concentraciones máximas y mínimasDesventajas: - Costo elevado de adquisición- Requieren personal especializado para su manejo- Constante mantenimiento y calibraciónMonitor automáticoFigura 34 Kuyper; et al. Química del medio ambiente, 1995
  70. 70. 65Monitores Activos Requieren de en ergía el éctrica par a bo mbear el ai re amuestrear a t ravés de un m edio d e c olección f ísico o q uímico. E l v olumenadicional de ai re muestreado i ncrementa la s ensibilidad, por l o q ue puedenobtenerse mediciones diarias promedio.Los muestreadores activos más utilizados actualmente, son: Los burbujeadores acidimétricos para SO2, El método de filtración para Humo Negro, El método gravimétrico de A lto Volumen (Hi-Vol.) para partículas totales yfracción respirable, (según EPA).Los resultados en ambos casos corresponden al promedio de 24 horas deexposición.Monitor activo, Burbujeador acidimétricoFigura 35 Kuyper; et al. Química del medio ambiente, 1995Monitores Pasivos: Colectan un contaminante específico por medio de suadsorción y /o abs orción en u n sustrato químico seleccionado, bas ado en l adifusión del contaminante en una capa estática.
  71. 71. 66Ventaja: Simple y de bajo costo.Desventaja: Exposición desde un par de horas hasta un mes. En el laboratorio, serealiza la desorción del contaminante y posterior análisis.En la figura 36 s e observa la colocación de un c olector pasivo para su posterioranálisis en laboratorio.Monitoreo pasivo por medio de un colector de partículasFigura 36 http://smn.cna.gob.mx4.2 Monitoreo de emisionesSe ent iende c omo E misión a l a ev acuación d e s ustancias c ontaminantesdesde los focos que las emiten a la atmósfera (chimeneas, tubos de escape, etc.)
  72. 72. 67Figura 37 http://smn.cna.gob.mx4.3. Procesos de Emisión en Vehículos AutomotoresLos procesos de em isión de c ontaminantes son variados. Constituyen unagran cantidad de especies contaminantes producto de nu merosos procesos peroque en general se pueden resumirse en dos tipos de emisiones:a. Emisiones exhaustivas: que resultan de la combustión y son emitidas porlos t ubos d e escape y es pecies q ue r educen l a v isibilidad c omo am onio,sulfatos y PM 2.5, en donde se encuentra y para conocer las emisiones serealizan las siguientes pruebas:• Método de prueba estáticaEs un pr ocedimiento de medición de l as emisiones de los gases dehidrocarburos, monóxido de carbono, bióxido de carbono y oxígeno a
  73. 73. 68la s alida del escape de l os v ehículos aut omotores en c irculaciónequipados con motores que usan gasolina, gas licuado de pe tróleo,gas nat ural u ot ros c ombustibles al ternos. E l m étodo de pr uebaestática consiste en 3 etapas:• Revisión visual de humo: Se debe c onectar el t acómetro delequipo de medición al sistema de ignición del motor del vehículo yefectuar una ac eleración a 2, 500 ± 250 r evoluciones por m inuto,manteniendo ésta durante un mínimo de 30 segundos. Si se observaemisión d e hu mo ne gro o a zul y és te s e pr esenta de m aneraconstante p or m ás d e 10 s egundos, n o s e deb e c ontinuar c on e lprocedimiento de medición y deberán tener por rebasados los límitesmáximos per misibles es tablecidos en l a nor ma o ficial m exicanacorrespondiente. Esta prueba no debe durar más de un minuto.• Prueba de marcha crucero: Se d ebe i ntroducir l a s onda d emedición al tubo de escape de acuerdo con las especificaciones delfabricante del propio equipo, asegurándose de que ésta se encuentreperfectamente fija. Se procede a acelerar el motor del vehículo hastaalcanzar una v elocidad de 2, 500 ± 25 0 r evoluciones por m inuto,manteniendo ésta durante un mínimo de 30 segundos. Después de25 segundos consecutivos bajo estas condiciones de o peración, eltécnico debe determinar las lecturas promedio que aparezcan en elanalizador dur ante l os s iguientes 5 s egundos y r egistrar es tosvalores. Esta prueba no debe durar más de un minuto.• Prueba de marcha lenta en vacío: Se procede a desacelerar elmotor del vehículo a l a velocidad de m archa en v acío especificada
  74. 74. 69por s u fabricante q ue no s erá mayor a 1 ,100 r evoluciones p orminuto, manteniendo és ta dur ante u n mínimo de 30 s egundos.Después d e 25 s egundos c onsecutivos baj o es tas c ondiciones deoperación, el t écnico debe d eterminar l as l ecturas pr omedio q ueaparezcan en el an alizador dur ante l os s iguientes 5 s egundos yregistrar es tos v alores. E sta operación no deb e d urar m ás de unminuto. Figura 37.b. Emisiones evaporativas: procedentes de los motores de los vehículos.Dentro de estas se encuentran:• emisiones evaporativas en marcha• emisiones evaporativas sin marcha• emisiones evaporativas durante la recarga• emisiones evaporativas diurnasTécnico determinando las lecturas promedio que aparecen en el analizadorFigura 37. www/montevideo.gub.uy/ambiente/documentos.html
  75. 75. 704.4 Monitoreo atmosférico perimetralCon bas e a l a i nformación g enerada por l a r ed a utomática de monitoreoatmosférico ( RAMA), el g obierno de l a c iudad d e M éxico, por medio del D DF,emite diariamente un reporte s obre l a c alidad d el ai re en l a forma d el Í ndiceMetropolitano de la Calidad del Aire (Imeca). El valor del Imeca es igual al valormáximo de los subíndices obtenidos para los siguientes contaminantes: partículassuspendidas totales, di óxido de az ufre, m onóxido de c arbono, dióxido d enitrógeno, ozono y el efecto sinergético de las partículas con el SO2.La expresión empleada es:Imeca = Máx [I (PST), I(SO2),I(CO),I(NO2),I(O3),I(PST x SO2)]En l a c ual l os t érminos e ntre par éntesis r epresentan l os subíndicescorrespondientes a cada uno de los indicadores.Un v alor I meca de 100 pu ntos c orresponde a l a nor ma para c adacontaminante, mientras q ue u n v alor I meca d e 5 00, r epresenta niveles d econtaminación para l os c uales ex isten evidencias de da ños s ignificativos a l asalud. E n l a t abla 8 se m uestran l os e fectos en l a s alud c onforme el I mecaincrementa sus niveles y la forma de determinar la calidad del aireLa calidad del aire y sus efectos en la saludIMECA Calidad Del Aire Efectos en la Salud0-100 Buena o Satisfactoria Ninguna101-200 Regular Las personas sensiblespueden sentir molestias enojos nariz y garganta así
  76. 76. 71como dolor de cabeza201-349 Mala La población engeneral puede presentarirritación de ojos nariz ygarganta así como dolor decabeza350-400 Muy Mala Se agudiza lossíntomas anterioresespecialmente entre niños,ancianos etc.Tabla 8. Fuente: SemarnatEl valle de M éxico s e ubi ca en l a r egión s ubtropical de l a T ierra donde l aradiación s olar es c onstante e i ntensa t odo el a ño. A hí s e l ocaliza l a Z onaMetropolitana del Valle de México (ZMVM) que ocupa un área de 3,540 km², 1,500km² es tán c ompletamente urbanizados L a c iudad d e M éxico abar ca l as 1 6delegaciones del D istrito F ederal, 37 municipios del E stado de M éxico y 1municipio del Estado de Hidalgo.La ZMVM con sus 19 millones de habitantes alberga al 18% de la poblacióntotal del país. E s l a s egunda c iudad m ás g rande del m undo, s e m uestra un apanorámica de l a c iudad en l a figura 3 8. Las ac tividades c otidianas de s upoblación, las 53,000 industrias ahí asentadas y los 3.5 millones de vehículos quela c irculan di ariamente pr ovocan al tos niveles de c ontaminación del aire. O trosfactores agudizan este problema:• E l v alle de M éxico es tá r odeado p or montañas en 3 de s us l ados. A sí s econforma u na barrera nat ural q ue di ficulta l a l ibre c irculación del v iento y l adispersión de los contaminantes.

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