Sistema de evaluación de la dispersión episódica de contaminantes atmosféricos

Resumo

Frente a la contaminación de otros medios (aguas, suelos), en la era preindustrial se había considerado a la atmósfera como un medio de depuración de contaminantes suficientemente eficaz como para que, salvo en contadas excepciones, las emisiones de contaminantes a la atmósfera resultasen inocuas para el medio y las personas; reduciéndose a un problema de molestias (olores, visibilidad), sin mayores consecuencias. Esta consideración errónea agudizó el problema de la contaminación atmosférica con la introducción de la máquina de vapor, origen de la revolución industrial, para cuyo funcionamiento comenzaron a quemarse grandes cantidades de carbón; a lo que hay que sumar el uso de otros combustibles fósiles en la industria y transporte, el manejo y emisión de sustancias procedentes de la industria química, y de otras actividades humanas. A partir de ese momento, la preocupación por la calidad del aire que respiramos ha ido pareja al reconocimiento de las incertidumbres en los procesos atmosféricos que afectan a los contaminantes, de carácter altamente no lineal y que experimentan grandes variaciones en función de la dinámica meteorológica, ya de por sí compleja. Estos procesos complejos, sin embargo, son los que permiten la depuración de los contaminantes en la atmósfera y, en consecuencia, la minoración de su impacto; por lo que se ha reconocido la necesidad de conocerlos y, cuando era posible, cuantificarlos. Así que, el conocimiento de los procesos atmosféricos relacionados con la contaminación atmosférica partió inicialmente del análisis de datos experimentales de campo, de una parte, y de modelos teóricos de los procesos atmosféricos y su posible relación con la dispersión física de los contaminantes. La simplicidad de las soluciones analíticas de dichos modelos teóricos, sin embargo, dificultaba su aplicación a problemas reales. Con el desarrollo de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) y la generalización de la computación avanzada, muchos de estos modelos teóricos atmosféricos pudieron ser resueltos con mucha mayor precisión mediante técnicas numéricas, lo que junto con el acceso y manejo de grandes bases de datos ambientales ha posibilitado su aplicación a problemas reales. Al mismo tiempo, las técnicas de medida en la atmósfera han ido mejorando y automatizándose, favoreciendo su implantación sistemática, en especial, en los países desarrollados. Como consecuencia, el seguimiento y control de la contaminación atmosférica ha experimentado una considerable evolución en los últimos 40 años, tanto en lo que se refiere a las políticas de control como en las tecnologías desarrolladas y aplicadas en el mismo. En particular, los modelos atmosféricos han alcanzado un nivel de desarrollo que, aún con las incertidumbres asociadas al sistema altamente no lineal que es la atmósfera, son actualmente herramientas fundamentales en el estudio, cuantificación e, incluso, resolución de problemas de contaminación atmosférica. Dentro de los modelos atmosféricos, los modelos de calidad del aire tratan de cuantificar los procesos que afectan a los contaminantes en la atmósfera y, en consecuencia, pretenden relacionar las emisiones de estos contaminantes con sus concentraciones en la atmósfera, y en las superficies en que se depositan. Al mismo tiempo, estos procesos están altamente condicionados por la dinámica atmosférica, lo que obliga a determinar también con la mayor precisión posible las condiciones meteorológicas y su evolución temporal; los modelos meteorológicos basados en las ecuaciones de conservación de las propiedades físicas de la atmósfera se han mostrado altamente capaces de proporcionar esa información. Hasta el punto de que, si bien ambos tipos de modelos, meteorológicos y de calidad del aire, precisan de algunos datos experimentales para su aplicación (especialmente, en cuanto a la dependencia de la atmósfera respecto de sus condiciones iniciales), la robustez física de sus ecuaciones dinámicas y su aplicación amplia y sistemática en muchos entornos los ha convertido en soluciones matemáticas altamente generalizadas en el cálculo de los procesos atmosféricos. Al respecto de su resolución matemática, es importante reseñar que muchos de estos modelos requieren su formulación en forma diferencial, dada la alta variabilidad espacial y temporal de la atmósfera terrestre. A fin de obtener una representación matemática realista de los procesos atmosféricos. La resolución matemática de sus ecuaciones diferenciales se ha visto altamente favorecida por el gran desarrollo de los sistemas de computación. Aún a pesar del gran desarrollo que han experimentado los modelos atmosféricos, la gran variabilidad de la atmósfera terrestre y de los distintos entornos del planeta hace necesaria la validación de cualquier modelo atmosférico, antes de su aplicación al estudio de un problema de contaminación atmosférica. Lo que requiere la disponibilidad de datos atmosféricos representativos del problema a estudiar en cada entorno concreto. Así, los modelos meteorológicos requieren ser contrastados frente a medidas meteorológicas, habitualmente disponibles en superficie; pero, teniendo en cuenta que la dispersión de los contaminantes atmosféricos se produce sobre todo a cierta altura, también es necesario comparar los resultados de los modelos meteorológicos con medidas en altura. En cuanto a los modelos de calidad del aire también precisan, en último término, contrastar sus resultados con las concentraciones de contaminantes medidas en el aire que respiramos, es decir, a nivel del suelo: la inmisión. De entre los modelos de calidad del aire, aquellos que centran sus mayores esfuerzos (en cuanto a sus soluciones matemáticas) en la mezcla o dilución de los contaminantes en la atmósfera, son los modelos de dispersión atmosférica. Si bien estos modelos pueden considerar las transformaciones químicas que experimentan los contaminantes en la atmósfera, sus soluciones están más enfocadas al ya complejo problema de la dispersión física, dependiente de la turbulencia atmosférica; por lo que resultan especialmente adecuados cuando el contaminante estudiado puede considerarse prácticamente inerte a la escala espacial/temporal de interés en el entorno de estudio. Para la resolución matemática de los modelos de calidad del aire, dos son las aproximaciones habitualmente consideradas: los modelos Eulerianos, basados en la resolución de sus ecuaciones diferenciales sobre una malla espacial fija mediante técnicas de diferencias finitas; y los modelos Lagrangianos, que representan la dispersión de los contaminantes mediante una función matemática del proceso de desplazamiento y mezcla de los mismos, por lo que su resolución no está ligada a una malla espacial concreta. Si bien los modelos Eulerianos son los únicos capaces de resolver también complejos mecanismos de transformación química de los contaminantes atmosféricos, los modelos Lagrangianos alcanzan mejores resultados en el cálculo de la dispersión física de los contaminantes, especialmente cuando el número de focos emisores es muy reducido, de tal forma que los gradientes de concentraciones de contaminantes son grandes y altamente variables. Esto hace a los modelos Lagrangianos especialmente adecuados para el estudio de la dispersión de contaminantes desde un foco emisor singular, especialmente si pueden considerarse inertes en la escala espacial considerada. Como se ha indicado previamente, todo modelo de calidad del aire requiere de su validación frente a datos experimentales en el entorno a estudiar o, cuando menos, en entornos similares. Se han llevado a cabo multitud de experimentos de validación de modelos de calidad del aire, muchos de ellos basados en la realización de campañas de medida específicas con gran profusión de sensores meteorológicos y de contaminación atmosférica; y partiendo de focos emisores controlados, que introducen artificialmente un trazador pasivo (inerte) durante el experimento. Si bien estos experimentos tienen un gran valor para la validación y generalización de los modelos atmosféricos, presentan limitaciones en cuanto a las condiciones de emisión, en particular, su altura y el volumen de gases emitidos. Estas limitaciones pueden condicionar la validez de sus resultados cuando se pretenden aplicar los modelos a focos emisores reales, con una altura y caudal de emisión mucho mayores. Así, también se han llevado a cabo en ocasiones experimentos de validación de modelos de calidad del aire basados en datos experimentales de focos emisores singulares, habitualmente industriales, que pudiesen considerarse como únicos en el entorno dado que su aportación de algún contaminante atmosférico es mucho mayor que la de cualquier otro foco emisor que lo rodease. Lo que facilita establecer una relación directa en la emisión de ese contaminante y su inmisión medida. Por el contrario, estos experimentos presentan la limitación del número y variedad de medidas experimentales disponibles. Precisamente, este trabajo de investigación se ha enfocado a la validación de modelos atmosféricos frente a medidas experimentales sobre dos entornos distintos con focos emisores reales (en Galicia y en la Isla de Cuba), en uno de los cuales se disponía de las condiciones adecuadas para establecer una relación directa entre las emisiones de un foco industrial y la inmisión medida en su entorno. Como modelos atmosféricos se han elegido el modelo de pronóstico meteorológico WRF-ARW, y el modelo meteorológico de diagnóstico CALMET, en ocasiones aplicado al primero; validándose ambos modelos frente a las medidas meteorológicas experimentales disponibles, en superficie y en altura. Los resultados del modelo CALMET han proporcionado las condiciones meteorológicas al modelo Lagrangiano de dispersión atmosférica regulatorio CALPUFF, que también ha sido validado frente a medidas de inmisión de un contaminante singular, considerado a efectos prácticos como un trazador pasivo. La importancia de los resultados que se pretende alcanzar en este trabajo se centra en la extensión de este tipo de modelos a distintos entornos y condiciones reales de dispersión atmosférica, sobre focos emisores reales, lo que demostrará la validez general de este tipo de modelos, siempre que se apliquen de la manera adecuada a cada entorno. Teniendo en cuenta que los modelos de calidad del aire constituyen ya hoy en día herramientas de carácter regulatorio tan válidas como las medidas experimentales que, de manera sistemática, también se llevan a cabo para el seguimiento y control de la contaminación atmosférica.