i
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
JEAN PAUL RAFAEL COPES ARTICA
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN INGENIERÍA AMBIENTAL
Huancayo - Perú 2022
“Efecto de la estabilidad atmosférica en la dispersión del material particulado en la ciudad de Huancayo
(Enero – Marzo)”
ii
iii
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
TESIS:
PRESENTADO POR:
JEAN PAUL RAFAEL COPES ARTICA PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN INGENIERÍA AMBIENTAL APROBADA POR EL JURADO SIGUIENTE:
PRESIDENTE:
_____________________________
Dr. Wilder E. Eufracio Arias SECRETARIO:
_____________________________
Ms. Félix A. Villavicencio Ramon VOCAL (01):
_____________________________
Ms. BENDEZU ROCA YESSICA VOCAL (02):
____________________________
Dr. Elías A. Sanabria Pérez VOCAL (03):
_____________________________
Dr. Venancio S. Navarro Rodríguez
Huancayo, 25 de febrero de 2022
EFECTO DE LA ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA EN LA DISPERSIÓN DEL MATERIAL PARTICULADO EN LA CIUDAD DE HUANCAYO (ENERO – MARZO)
iv ASESOR
MS BENDEZU ROCA YESSICA DNI: 20067867
código de ORCID: 0000-0001-7619-2588
v
DEDICATORIA
A Dios, por cuidarme y darme fuerzas para continuar en este proceso de obtener uno de los anhelos más deseados.
A mis padres, por su amor, trabajo y sacrificio en todos estos años, gracias a ustedes he logrado llegar hasta aquí́ y convertirme en lo que soy.
A mis hermanos por el apoyo moral que me brindan a lo largo de esta etapa de mi vida. y por estar siempre presentes, acompañándome
A todas las personas que me apoyaron y han hecho que el trabajo se realice con éxito en especial a aquellos que abrieron las puertas y compartieron sus conocimientos
.
vi
AGRADECIMIENTO A Dios, por guiar y proteger mis pasos.
A mis padres Pablo y María por su apoyo incondicional en todo momento.
A Paola Copes Artica, mi motor que permite superarme a mí mismo día a día.
A Mónica Carrión Soto, por su cariño incondicional.
Al Ing. Luis Fernando Suarez Salas, por su apoyo incondicional en el desarrollo del presente trabajo.
A la Ms. Yéssica Bendezú Roca por la orientación brindada en el desarrollo de esta tesis.
Al Dr. Elías Adrián Sanabria Pérez por el conocimiento brindado en el presente trabajo.
Asimismo, expresar mis reconocimientos a la Escuela de Posgrado de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
Al personal docente y administrativo de la Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú, por darme la oportunidad de seguir logrando objetivos académicos.
vii
ÍNDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIA ... v
AGRADECIMIENTO ... vi
ÍNDICE DE CONTENIDO ... vii
ÍNDICE DE TABLAS ... ix
ÍNDICE DE FIGURAS ... x
RESUMEN………….. ... xi
ABSTRACT……. ... xii
INTRODUCCIÓN……. ... 13
CAPITULO I…….. ... 15
MARCO TEÓRICO……. ... 15
1.1. Antecedentes o marco referencial ... 15
1.2 Bases teóricas y conceptuales ... 18
1.2.1 La turbulencia atmosférica ... 18
1.2.2 La capa limite planetaria ... 21
1.2.3 La turbulencia en la capa limite planetaria ... 23
1.2.4 Sobre la turbulencia y su importancia para los modelos de dispersión ... 25
1.2.5 Circulación vertical y estabilidad de la atmósfera ... 29
1.2.6 Clasificación del grado de estabilidad atmosférica según Pasquill – Gifford ... 33
1.3 Definición y términos básicos ... 36
1.4 Hipótesis de la investigación ... 39
1.4.1 Hipótesis general (nula) ... 39
1.4.2 Hipótesis específicas ... 39
1.5 Operacionalización de las variables ... 39
1.5.1.Variables independientes: ... 39
1.5.2.Variable dependiente ... 40
CAPITULO II ... 41
DISEÑO METODOLÓGICO ... 41
2.1 Tipo y nivel de investigación ... 41
2.1.1 Tipo de investigación ... 41
viii
2.1.2 Nivel de investigación ... 41
2.2 Métodos de investigación ... 41
2.3 Diseño de investigación ... 41
2.4 Población y muestra ... 42
2.4.1 Población ... 42
2.4.2 Muestra: ... 42
2.4.3 Técnica de muestreo ... 42
2.5 Técnicas e instrumentos de recopilación de datos ... 43
2.6. Técnica de procesamiento de datos ... 44
CAPITULO III ... 45
ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 45
3.1 Resultados ... 45
3.1.1 Comportamiento del grado de estabilidad atmosférica ... 45
3.1.2 Comportamiento porcentual del grado de estabilidad atmosférica durante la epoca lluviosa 2019 ... 48
3.1.3 Comportamiento horario del grado de estabilidad atmosférica durante la época lluviosa 2019 ... 49
3.1.4 Comportamiento de la estabilidad atmosférica debido a la radiacion solar y la velocidad del viento ... 51
3.1.5 Comportamiento de la dirección del viento, durante la época lluviosa 2019 en la ciudad de huancayo ... 52
3.1.6 Comportamiento de la concentración de los contaminantes del aire según modelo de dispersión gaussiano ... 54
CONCLUSIONES ... 59
RECOMENDACIONES ... 60
REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS ... 61
ix
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Categorías de estabilidad según Pasquill – Gifford ... 32 Tabla 2 Factores para determinar la Turbulencia de la Atmósfera en términos
de clases de estabilidad ... 33 Tabla 3 Nivel de radiación solar incidente en función de la nubosidad ... 34 Tabla 4 Comportamiento de la estabilidad atmosférica durante la época
lluviosa 2019, en la ciudad de Huancayo ... 44 Tabla 5 Comportamiento de la estabilidad atmosférica en términos
porcentuales durante la época lluviosa 2019, en la ciudad de Huancayo ... 44 Tabla 6 Comportamiento horario de la estabilidad atmosférica durante la
época lluviosa 2019, en la ciudad de Huancayo ... 48 Tabla 7 Comportamiento de la dirección del viento durante la época lluviosa
2019, en la ciudad de Huancayo ... 51
x
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Representación esquemática de la dispersión de un contaminante del aire considerando una variación basada en la distribución gaussiana de su concentración resaltando valores de σy y σz. ... 27 Figura 2 Variación vertical de la atmósfera (línea bajo condiciones
considerado “Estable” que ocasiona la dispersión del penacho de manera horizontal. ... 29 Figura 3 Variación vertical de la atmósfera bajo condiciones considerada
“Inestable” que ocasiona la dispersión del penacho de una mayor oscilación en su trayectoria. ... 30 Figura 4 Variación vertical de la atmósfera bajo condiciones considerada
“Neutra” que condiciona reducir a la dispersión del penacho de contaminante pudiendo este quedar atrapado en la parte baja de la atmósfera o regresar causando riesgo adverso a la población. ... 31 Figura 5 Variación mensual del comportamiento de la estabilidad atmosférica
durante la época lluviosa 2019, en la ciudad de Huancayo. ... 45 Figura 6 Comportamiento en porcentaje de la estabilidad atmosférica durante
la época lluviosa 2019, en la ciudad de Huancayo. ... 47 Figura 7 Comportamiento horario de la estabilidad atmosférica durante la
época lluviosa 2019, en la ciudad de Huancayo ... 49 Figura 8 Comparación del comportamiento de la estabilidad atmosférica, la
radiación y la velocidad del viento, durante la época lluviosa 2019, en la ciudad de Huancayo ... 50 Figura 9 Comportamiento de la dirección del viento, de donde viene el viento
predominante, durante la época lluviosa 2019 en Huancayo ... 52 Figura 10 Comportamiento de la concentración del material particulado para
las 7 horas en Huancayo (época lluviosa 2019) ... 54 Figura 11 Comportamiento de la concentración del material particulado a las
11 horas en Huancayo (época lluviosa de 2019) ... 55 Figura 12 Comportamiento de la concentración del material particulado a las
18 horas en Huancayo (época lluviosa de 2019) ... 56
xi RESUMEN
La tesis titulada, “Efecto de la estabilidad atmosférica en la dispersión del material particulado en la ciudad de Huancayo (Enero – Marzo)” tiene como objetivo general estudiar la turbulencia atmosférica para determinar su efecto sobre la dispersión del material particulado en los meses de enero a marzo 2019, con ello se obtuvo la caracterización detallada de la estabilidad atmosférica. Para obtener las categorías de la estabilidad atmosférica, se empleó la clasificación según Pasquill-Gifford, que es calculado en función de la intensidad de la radiación solar incidente en superficie y la velocidad del viento (12 m de altura), utilizando una torre meteorológica y un piranómetro, instalados en la Universidad Nacional del Centro del Perú. Además, se obtuvo la caracterización del comportamiento horario de la estabilidad atmosférica;
así como el comportamiento de la dirección del viento, durante la temporada lluviosa. Finalmente se muestra el comportamiento de la dispersión del material particulado para las 7, 11, 18 horas, utilizando el procesador de datos del modelo gaussiano.
En conclusión, se pudo determinar que el viento asume una dirección para esa época desde el Oeste con una velocidad de 0.5 a 2.1 m/s. La categoría inestable (B), es la que predomina en la atmosfera de la ciudad de Huancayo.
A inicios del día la atmosfera de Huancayo es Ligeramente inestable, luego por la presencia de la radiación solar, asume un comportamiento inestable (desde las 8 hasta las 12 horas), posteriormente presenta un comportamiento Neutro, debido a la presencia de precipitaciones. Finalmente, la dispersión del material particulado incrementa su concentración de acuerdo al grado de estabilidad atmosférica y la distancia.
Palabras clave: Estabilidad atmosférica, categorías Pasquill-Gifford, Huancayo.
xii ABSTRACT
This study was conducted at Huancayo city in Junín region, during the wet season, from January to March 2019. The general objective was to study the atmospheric turbulence in order to determine its effect on the dispersion of particulate matter at surface level. The detailed characterization of the atmospheric stability was obtained. To obtain the categories of atmospheric stability, the Pasquill-Gifford classification was used, which is calculated according to the intensity of the incident solar radiation and the wind speed, using a meteorological tower and a pyranometer, installed at the National University of the Center of Peru. A characterization of the hourly variation of the atmospheric stability was also obtained, as well as the one of wind direction, both during the rainy season. Finally, variation of the dispersion of the particulate matter for 7, 11, 18 hours is shown, using the Gaussian model data processor.
In conclusion, it could be determined that the wind dominates a west direction for that season with a speed of 0.5 to 2.1 m/s. The unstable category (B), is the one that predominates in the atmosphere of Huancayo city. At the beginning of the day the atmosphere of Huancayo is slightly unstable, then by the presence of solar radiation, assumes an unstable behavior (from 8 to 12 hours), then presents a neutral behavior, due to the presence of rainfall.
Finally, the dispersion of the particulate matter increases its concentration according to the degree of atmospheric stability and distance.
Keywords: Atmospheric stability, Pasquill-Gifford categories, Huancayo city.
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INTRODUCCIÓN
Los procesos complejos que suceden en la baja atmósfera controlan la dispersión de los contaminantes del aire. Durante los últimos años el problema de la contaminación del aire se ha incrementado y ha generado enorme preocupación en diversas ciudades. Por lo que diversos esfuerzos se han venido realizando tanto mejorar el entendimiento de los procesos atmosféricos de la emisión y la dispersión de diversos contaminantes (gases o material particulado) del aire como también en diversos estamentos para la gestión de la calidad del aire.
La ciudad de Huancayo se encuentra comprendida en la normativa del Ministerio del Ambiente relacionada a ser una ciudad de atención prioritaria por lo que la comprensión de los procesos atmosféricos es importante. Así mismo Huancayo está ubicado en una zona montañosa donde los procesos de dispersión y contaminación del aire son más complejos debido a la influencia de la orografía.
Además del entendimiento básico esta la necesidad de entender la variación de la capa de mezcla atmosférica que junto con la estimación de los inventarios de emisiones nos brindará la información adecuada sobre la variación de los patrones de dispersión de contaminantes del aire identificando sitios críticos. Esta información permitirá que los tomadores de decisión propongan las mejores estrategias para definir e implementar las políticas de gestión de la calidad del aire.
En ese sentido este trabajo presenta una detallada evaluación sobre estos aspectos. Por lo tanto, en el Capítulo I se repasa todo el marco teórico de la contaminación del aire basándonos tanto en la investigación local, nacional e internacional. De manera especial como ingenieros ambientales hemos revisado las publicaciones sobre la importancia de estudiar la turbulencia atmosférica y la capa límite y su importancia para la dispersión de los contaminantes. También se presentan los antecedentes y la hipótesis. El Capítulo II se ha centrado en detallar los aspectos fundamentales de la
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metodología de la investigación que se ha aplicado en esta investigación.
Especial atención se ha dado a describir los aspectos de la torre de mediciones instalada en la Universidad Nacional del Centro del Perú que fue un soporte fundamental para este trabajo. Mientras que en el Capítulo III se desarrolló la presentación de los resultados de la investigación comprendiendo un detallado análisis y la interpretación de las diferentes categorías de estabilidad atmosférica que se han registrado en el periodo de estudio. Este trabajo se ha completado con la utilización del modelo basado en la dispersión gaussiana para fines de evaluar la dispersión del material particulado bajo diversas condiciones de estabilidad de la atmósfera.
Finalmente, se presentan las conclusiones y recomendaciones resultantes de este trabajo para consideración de los lectores. Además, se presenta la bibliografía y algunos anexos complementarios.
15 CAPITULO I MARCO TEÓRICO 1.1. Antecedentes o marco referencial
La comunidad académica internacional ha desarrollado diversos estudios donde han evaluado las complicaciones de la contaminación del aire en sitios urbanos. Según Turtós et al. (2003) que estudió la altura de la capa límite planetaria, reporta su importancia como un parámetro básico en la aplicación de modelos de dispersión de contaminantes del aire. Esto considerando que este proceso se da en la troposfera que es la zona de la baja atmósfera donde ocurre procesos directamente relacionados al ser humano que tienen que ver con el transporte turbulento de masa y energía y donde los contaminantes del aire se dispersan. Para estimar la capa limite planetaria (CLP) existen varias opciones a utilizar en función de los datos de que se disponen, mencionando alguno, los sondeos de aire superior.
Dada su importancia para entender los procesos fundamentales de la atmósfera en la contaminación del aire y su potencial impacto Herrera et al.
(2019) desarrolló un caso de estudio en el Valle de Aburra en el norte de Colombia permitió la detallada caracterización de la CLP mediante diversas técnicas de medición: mediciones de sensoramiento remoto y, radiosonda y, conjuntamente, un modelo numérico de simulación Weather Research and Forecasting (WRF). Este estudio implicaba su enfoque en un terreno estrecho y de alta complejidad como son los Andes colombianos. Esto considerando que una combinación de técnicas es más robusta y funciona mejor para definir la CLP en condiciones estables e inestables. Los resultados también muestran que las variaciones de nubosidad intra-anual y anual condicionan fuertemente la expansión de CLP, lo que lleva a una modulación del ciclo diurno de altura de CLP. La cantidad de partículas de aerosol cerca de la superficie está influenciada por la evolución del CLP, modificando el volumen de control
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disponible para que los contaminantes interactúen y se dispersen. La evolución de CLP sobre las laderas y en el fondo del valle difiere como resultado del engrosamiento local asociado con los vientos ascendentes. Las simulaciones de modelos de Investigación y Pronóstico del Tiempo, desde un punto de vista climatológico, simulan hábilmente la altura ABL observada tanto para los ciclos diurnos como anuales; la habilidad del modelo es más alta en el fondo del valle que en las pendientes. Esta labor permitió fortalecer el Sistema de Alerta Temprana del valle de Medellín y el Valle de Aburrá (SIATA) que es un proyecto que se convirtió en todo un símbolo de la gestión del riesgo para toda Colombia.
De igual modo Santa Cruz (2000) evaluó la difusión de los contaminantes gaseosos en la baja atmósfera empleando la metodología propuesta por Pasquill – Gifford para la categorización de la estabilidad atmosférica y la aplicación del modelo basado en la dispersión gaussiana de los contaminantes.
La evaluación se realizó en la Ciudad de Rosario en Argentina.
En el caso de la velocidad de descenso de las emisiones generadas bajo condiciones atmosféricas inestables según López (2004) es mayor respecto a las condiciones atmosféricas estables y neutros. Mientras que de acuerdo a Rodríguez et al. (2006) determinó que las condiciones más óptimas para lograr la dispersión de contaminantes en la parte baja de la atmósfera se presentan durante los meses que dura el verano y el horario diurno, teniendo el horario más favorable donde se presenta una mayor turbulencia. Esto basándose en la clasificación del indicador de la longitud de Monin-Obukhov. Esta evaluación fue aplicada en la ciudad cubana de Pinar del Río cubriendo los años 2006 a 2010.
En esta misma línea al analizar la dispersión de contaminantes gaseosos y de material particulado Ortiz (2016) determinó que el sector centro y sur de Bogotá en Colombia son las zonas donde se registra la mayor turbulencia que favorece a la dispersión. Esto debido principalmente a la rugosidad de dichas zonas y en las velocidades y dirección de viento. Además, hay que considerar que hacia el sur de Bogotá se concentran la mayoría de las fuentes de emisión.
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En casos de más turbulencia la atmósfera minimiza las concentraciones de los contaminantes, pero incrementa varias veces el área de influencia de estos contaminantes por toda la ciudad.
A nivel del territorio peruano existen pocos estudios debido a la poca disponibilidad de datos. Según Vicuña (2017) menciona que, de acuerdo a la evaluación sobre la variación horaria de la estabilidad atmosférica, entre las 13 y 16 horas se presentan las condiciones más óptimas para la dispersión de contaminantes, debido a que la atmosfera de la ciudad de Pucallpa asume un comportamiento inestable y muy inestable. El estudio se realizó en la ciudad de Pucallpa, Perú; durante los meses de enero a diciembre de 2015.
Recientemente, Flores et al. (2019) presenta un análisis detallado de los ciclos diurnos y mensuales de la capa límite superficial basado en mediciones realizadas en el Observatorio de Huancayo del Instituto Geofísico del Perú (12.04°S, 75.32°O, 3313 m.s.n.m.), para el periodo de mayo de 2018 a abril de 2019. Utiliza un conjunto de sensores meteorológicos (temperatura, humedad relativa y velocidad y dirección del viento) instalados en una torre de gradiente de 30 m de altura, Se utilizaron dos métodos de gradiente de flujo: el método aerodinámico y el método de balance de energía de relación de Bowen. El flujo de calor del suelo en la superficie se estimó utilizando una ecuación de transferencia de calor molecular. Los resultados muestran temperaturas medias mensuales mínimas y condiciones más estables en junio y julio antes del amanecer, mientras que temperaturas medias mensuales máximas en octubre y noviembre y condiciones más inestables en febrero y marzo. De mayo a agosto se observaron perfiles de vapor de agua invertidos cerca de la superficie (más intensos en julio) en horas nocturnas, lo que indica una transferencia de vapor de agua en forma de rocío en la superficie. Los patrones de dirección del viento indican una circulación bien definida entre la montaña y el valle del sureste al suroeste, especialmente en los meses de otoño e invierno (abril-agosto). El albedo superficial y la proporción de Bowen indican condiciones semiáridas en los meses húmedos de verano y condiciones extremadamente áridas en los meses secos de invierno. Las comparaciones
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entre el flujo de calor sensible (QH) y el flujo de calor latente (QE), estimados por los dos métodos, muestran una buena concordancia (R2 por encima de 0.8). La comparación entre la energía disponible y la suma de los flujos QE y QH muestra un buen nivel de concordancia (R 2 = 0.86) con importantes contribuciones de desequilibrio después del amanecer y alrededor del mediodía, probablemente por procesos de advección generados por heterogeneidades en la superficie alrededor del observatorio de Huancayo e intensificado por la circulación montaña-valle.
También Navarro (2019) realiza una evaluación de la influencia de los aerosoles provenientes de las quema de biomasa en región Andina central del Perú entre julio a octubre del 2017. Para ello utilizó el modelo regional de predicción del tiempo atmosférico Weather Research and Forecasting con su componente de química de la atmósfera (WRF-Chem) poniendo especial énfasis en la parametrización de la estabilidad atmosférica. Así las parametrizaciones empleadas fueron, Monin-Obukhov para la capa superficial, ACM2 para la capa límite planetaria, además de otros para el componente de la química de la atmósfera. Entre sus resultado ha mostrado que las condiciones meteorológicas, incluyendo la estabilidad atmosférica, desfavorecen la ocurrencia de incendios en la región del río Mantaro durante todo el periodo; mientras que el incremento de la precipitación hacia el mes de octubre contribuye a la reducción de las concentraciones de aerosoles.
1.2 Bases teóricas y conceptuales 1.2.1 La turbulencia atmosférica
Se define como turbulencia atmosférica a la agitación de la atmosfera, siendo la principal responsable de todos los fenómenos de transferencia de humedad, calor, cantidad de movimiento y por supuesto cualquier sustancia contaminante que de una forma u otra sea liberada a la atmosfera. Especialmente este proceso se observa en la capa más cercana al suelo que tiene una variación en su espesor. Esta región está caracterizada por un cambio intempestivo de
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intensidad y dirección del viento en una distancia pequeña en un sentido vertical.
De acuerdo a McCaffrey et al. (2015) la turbulencia atmosférica se presenta a través de diversos fenómenos en la atmósfera como los remolinos, o en ráfagas de viento. La caracterización de las estructuras turbulentas se ha desarrollado de manera más extensa mediante mediciones realizadas en terrenos rurales, con ajustes y extrapolaciones para lugares urbanos mediante la teoría de similitud correspondiente a Monín Obukhov (Foken, 2003). Además, con el adicional de la corrección por el efecto de la rugosidad de la parte superficial característico de ciudades muy grandes (Christen, 2005).
Por otra parte, la turbulencia generada en la capa límite de la baja atmósfera presenta una característica difusiva y disipativa. Este característica difusiva es una de las propiedades más importantes para caracterizar dicha capa, ya que es justamente la que va a indicar la capacidad de mezcla de las emisiones vertidas y producidas por la actividad humana.
Aunque la difusión atmosférica tiene componentes de la turbulencia y a nivel molecular para el caso de grandes distancias como es el caso del transporte regional de contaminantes, la difusión a nivel molecular se va a considerar despreciable (Hanna et al., 1985). El componente de turbulento de la difusión se convierte en un componente de difícil predicción, propio de sistemas dinámicos no lineales los cuales van a poder ser modelados mediante ecuaciones complejas, en las cuales se intenta representar las alteraciones aleatorias y estocásticas de la velocidad del viento, la temperatura ambiental (a nivel del suelo y del aire) y los flujos de energía en la baja atmósfera. Para tratar de entender el origen de la turbulencia López (2004) menciona que su principal factor de generación es la fricción de las capas que se encuentran a un nivel más bajo de la atmósfera contra la superficie terrestre en sus primeros centímetros, el consecuente intercambio de flujo de calor entre la parte superficial y la atmósfera, y el viento encima de obstáculos en una correspondiente región.
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Según Núñez et al. (2002) la turbulencia atmosférica va a tener una influencia directa y fundamental con las consecuencias en la salud humana y de los ecosistemas y que ocasionan los contaminantes emitidos por la actividad humana. La ciudad de la Oroya, debido a la presencia de la Metalúrgica de Doe Run, ha sido por muchos años un ejemplo crítico de esta relación. Esto debido a que en dicha ubicación se producía con elevada frecuencia cambios importantes en la turbulencia atmosférica a lo largo del día y del año. Esto implicaba que, la poca dispersión de la gran cantidad de contaminantes emitidos por dicha empresa, determine situaciones de peligro para la calidad de salud de la población cercana a las chimeneas principales que continuamente emitían gases y material particulado. En estos casos de una ubicación de montaña, el conocer la capacidad difusiva de la atmosfera es de primordial importancia para fines de informar a la población y tomen medidas para proteger la salud.
De la misma manera en su evaluación Núñez et al. (2002) va a identificar que el componente de disipación que condiciona a la turbulencia es posible de ser medido de forma directa y continuamente para tener una evaluación diaria.
De modo diario tanto la activación y la disipación de la energía turbulenta debido a la transformación de la energía emitida por el sol y recibida por la superficie del suelo es la manifestación más evidente de la naturaleza turbulenta de la baja atmosfera. Con este análisis se concluye que la activación turbulenta va a generarse bajo la condición de que exista una continua alimentación de energía, que puede ser por medio mecánico o por medio térmico.
La turbulencia atmosférica se describe considerando el indicador denominado como número de Richardson (Ri). Este valor enlaza la flotabilidad de las áreas de aire con las fuerzas de fricción que son originadas debido al viento. Justamente la ecuación 1 muestra la relación de diversos factores a nivel de la superficie del suelo que permiten estimar este importante indicador.
Este es posible determinarlo a partir de mediciones a diversas alturas de la atmósfera baja.
Ri= g∙∆θv ∙∆z /Tv ∙[∆〈u〉
2+∆〈v〉
2] (
01)21
En la ecuación 01, g corresponde a la constante gravitacional, θv
corresponde a la temperatura potencial virtual, z corresponde a la altitud de la medición y Tv es la denominada temperatura virtual. Para esta formulación se tiene en cuenta que la turbulencia generada por la atmósfera se elimina cuando el valor de Ri es mayor a 1.
1.2.2 La capa limite planetaria
La capa de límite planetaria (CLP) se aquella región de la atmósfera que se crea debido a la modificación de los procesos de transporte de masas y energía intercambiado por la atmósfera y la parte superficial de la tierra. En términos práctico se puede definir como la porción de la atmósfera desde la superficie del suelo hasta los 1000 m de altitud, aproximadamente. Esto varía en rango amplio debido a las características topográficas y meteorológicas de la zona; también debido a la velocidad del enfriamiento o al calentamiento de la parte superficial en las horas, ya sea del día o de la noche.
En esta región de la atmósfera son muy importantes la humedad, la transferencia de masa, el calor o la cuantificación de contaminantes los cuales tienen un importante componente de turbulencia. Por ello, esta CPL es una capa límite de régimen turbulento que se origina debido a la correlación entre la parte baja de la atmosfera y la superficie de la tierra, las cuales forman una importante inter-fase de transición de los componentes terrestres dado que la superficie incluye tanto la sólida como el suelo y la líquida como los océanos (Stull, 1988).
La CLP tiene un importante rol en muchos campos de aplicación, incluyendo pronóstico del tiempo y clima, meteorología, hidrología y contaminación del aire. Muchos procesos están asociados con el estado de la CLP, con el balance de energía y con la intensidad de la turbulencia. El estudio de la CPL es muy importante debido a las fuertes interacciones entre la superficie y la atmósfera que tiene lugar en esta región y en la cual es relativamente fácil estimar los transportes turbulentos de momento, calor y vapor de agua con suficiente precisión para mejorar los estudios a una mayor escala de fenómenos en otras regiones de la atmósfera (Arya, 1981).
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Así mismo, considerando la ubicación montañosa de Huancayo y sus alrededores se debe considerar el intercambio de calor, impulso y masa en la atmósfera está controlado por dinámicas de escala sinóptica, circulaciones de mesoescala impulsadas térmicamente y por la turbulencia local. Serafin et al.
(2018) revisa los desafíos clave relevantes para la comprensión de los procesos de intercambio en la capa fronteriza de la montaña y describe las posibles prioridades de investigación para el futuro. También describe las limitaciones del estudio experimental del intercambio turbulento sobre terreno complejo (de montaña), el impacto de las brisas de laderas y valles en la estructura de la capa límite convectiva y el papel de la mezcla intermitente y la interacción ola-turbulencia en la capa límite estable. La interacción entre los procesos de intercambio a diferentes escalas espaciales se analiza en profundidad, enfatizando el papel de las capas estables elevadas y terrestres en el control de las interacciones de múltiples escalas en la atmósfera sobre y cerca de las montañas. También resalta las implicancias de la comprensión actual de los procesos de intercambio sobre las montañas para la mejora de la predicción numérica del tiempo y los modelos climáticos, considerando en particular la representación de las condiciones de los límites de la superficie, la parametrización del intercambio a escala de subred y el desarrollo de esquemas de perturbación estocástica.
De igual modo son las conclusiones de Wekker y Kossman (2015) donde reconocen que la estructura espacio-temporal de la altura de la capa límite planetaria (CLP) está fuertemente modificada y es más compleja en terrenos accidentados y montañosos en comparación con terrenos planos. Si bien el CLP sobre terreno plano está dominado principalmente por convección turbulenta, la advección de flujos impulsados térmicamente a múltiples escalas juega un papel importante para la evolución del CLP sobre terreno montañoso.
Sin embargo, las observaciones detalladas de la estructura de CLP y la comprensión de los procesos subyacentes aún son limitadas. Aunque estudios recientes han ayudado a obtener más información sobre la estructura de CLP en terrenos montañosos complejos, pero también muestran que la definición
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universal de la altura de CBL sobre montañas sigue siendo un problema sin resolver.
En el aspecto del modelamiento de la CLP hay mejores perspectivas dado los últimos esfuerzos y así su aplicación en las evaluaciones de la dispersión de contaminantes. Los modelos deben ser capaces de representar mejor los procesos atmosféricos que controlan el destino de los contaminantes en las zonas montañosas. En particular, la atención se centra en las nuevas técnicas de medición para la recuperación de información de turbulencia distribuida espacialmente y parámetros de calidad del aire, y en los desafíos de los modelos meteorológicos y de dispersión para reproducir procesos a escala fina influenciados por la orografía (Giovannini et al., 2020).
1.2.3 La turbulencia en la capa limite planetaria
La turbulencia se define en la dinámica de fluidos, como aquel flujo que se caracteriza por una poca difusión de momento, una elevada convección y alteraciones de espacio y temporalidad con velocidades y presiones muy veloces. En ese mismo sentido a los flujos no turbulentos también se les denomina como flujos laminares. Para fines conceptuales algún flujo podría identificarse como flujo laminar o flujo turbulento basándose en un valor cuantitativo relacionado con el número de Reynolds. El conjunto de ecuaciones de Navier-Stokes, iniciadas en la época del siglo XIX, describen óptimamente al flujo laminar como al flujo turbulento.
Según Arya (1981) la turbulencia en la CLP, es a una escala pequeña, caracterizada por movimientos irregulares del viento con diversa dirección y velocidad. La turbulencia es importante debido a que mezcla y sacude la atmósfera y causa vapor de agua, humo y otras sustancias, así como energía, para ser distribuido tanto vertical como horizontalmente.
Para fines de diferenciar algunos de los procesos de turbulencia que ocurren en la CPL se puede clasificar de la siguiente manera:
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• Turbulencia mecánica, se produce cuando los obstáculos presentes como las edificaciones, un terreno irregular o algunos árboles van a producir una interacción directa con los flujos normales producidos por los vientos.
• Turbulencia convectiva, se produce en horas diurnas, debido al paso de masas de aire a bajas temperaturas sobre masas de aire caliente. También se presenta debido a la radiación producida por el sol que calienta la superficie terrestre y luego este eleva la temperatura de las masas más cercanas de aire.
• Turbulencia frontal, es producida durante el tránsito de un frente de baja temperatura que se traslada velozmente, ocasionando intensas ráfagas de viento.
La turbulencia viene a ser una propiedad intrínseca de la CLP, que es un importante fenómeno para su existencia y caracterización. En la CLP existe una turbulencia de manera constante en todo su espesor y también se presenta una mezcla con turbulencia bastante eficiente de modo horizontal y vertical.
Yagüe (1992) describe que la turbulencia en la CPL tiene una marcada variación diurna, alcanzando un máximo al mediodía para días cielos despejados o parcialmente nublados.
Los modelos matemáticos han logrado avances en modelar la turbulencia pero desde Markatos (1986) aún quedan algunos puntos básicos a destacar como son:
• Se necesitan cálculos de turbulencia para simulaciones prácticas de procesos de ingeniería, ambientales, biomédicos, etc.
Se ha logrado cierto éxito con modelos dada las mejores capacidades computacionales existentes. Es de esperar que modelos más eficientes permita
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su aplicación en la ingeniería, para lo cual extensos estudios han optimizado estos modelos.
Las fallas todavía son comunes para muchas aplicaciones, particularmente aquellas que involucran una fuerte curvatura, intermitencia, fuertes influencias de flotabilidad, efectos de bajo número de Reynolds, compresión o expansión rápida, remolino fuerte y reacción química influenciada cinéticamente.
Aunque algunos de los conceptos más recientes prometen describir algunas de las consecuencias físicas más importantes de la turbulencia, aún no han alcanzado una etapa definida de desarrollo. Desde este punto de vista, los métodos más antiguos y sencillos aún pueden recomendarse como punto de partida (y en ocasiones como punto final) para la simulación de ingeniería.
1.2.4 Sobre la turbulencia y su importancia para los modelos de dispersión
Algunos modelos de dispersión del aire utilizan la velocidad de viento como el principal mecanismo para modificar el transporte de los contaminantes con origen en cualquier sitio en la atmosfera. Estos modelos utilizan diversos parámetros relacionados con la turbulencia en la atmósfera solo con la finalidad de lograr estimar cuantitativamente la difusión de los contaminantes basado en el recorrido de las trayectorias del transporte. En base al tipo de modelo de dispersión dichos parámetros que van a generar la turbulencia son distintos y por ende también su estimación y/o valor cuantitativo final va a tener una variación importante que implica mayor dificultad de entender el fenómeno de la contaminación del aire.
La calidad de los pronósticos de calidad del aire depende en gran medida del rendimiento de los modelos numéricos de dispersión y las áreas de terreno complejo y montañoso resultan ser particularmente desafiantes para los modelos numéricos. Una de las razones es que pueden ocurrir grandes variaciones espaciales dentro de la capa límite planetaria (CLP), es decir, la capa más baja de la atmósfera. De hecho, la gran heterogeneidad del terreno
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y las diferencias en la vegetación y el uso del suelo a diferentes altitudes afectan la partición de la radiación solar recibida en la superficie y, posteriormente, el transporte de calor y humedad entre el suelo y la atmósfera, determinando la temperatura. campo dentro de la capa límite y que conduce a las circulaciones de viento local dentro del terreno montañoso. Una representación correcta de estos procesos es crucial para el éxito de las simulaciones de modelos.
Para modelar los diversos procesos relacionados a la contaminación del aire los especialistas utilizan técnicas matemáticas y numéricas las cuales mediante ecuaciones intentan reproducir los procesos físicos y químicos que ocurren a medida que se diseminan y reaccionan a nivel de la atmósfera. Basados en entradas de datos meteorológicos e información de fuentes como tasas de emisión y altitud de la chimenea. Estos modelos de calidad del aire están construidos para determinar las características de los contaminantes primarios que se eliminan en forma directa a la atmósfera y, en algunos casos, los contaminantes secundarios que se generan debido a las reacciones químicas complejas en la atmósfera. Los modelos tratados son de importancia para el sistema de gestión de la calidad del aire porque tienen mucha utilidad en aplicaciones realizadas por las agencias encargadas de controlar la contaminación del aire para identificar las contribuciones de la fuente a los problemas de calidad del aire y contribuir en el planteamiento de estrategias que sean efectivas para disminuir los contaminantes presentes en el aire. Se tiene como ejemplo, el uso de los modelos de calidad del aire que se pueden usar en el proceso de obtención de autorizaciones de permisos para la verificación de una fuente nueva, el cual no debe exceder los estándares de calidad del aire ambiental o, si fuese necesario, conocer los requisitos de control adicionales apropiados. Así también, los modelos de calidad del aire se pueden utilizar para generar predicciones en cuanto a las futuras concentraciones de contaminantes de diversas fuentes posteriormente a la implementación de un nuevo documento regulatorio, con la finalidad de estimar la eficiencia del documento del programa en la disminución de exposiciones que podrían causar daños a los seres humanos y al medio ambiente. En
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diversos estudios de impacto ambiental (EIAs) su presencia es obligatoria según la normatividad actual.
a. Modelo gaussiano
En el estudio de la contaminación del aire es necesaria la utilización de modelos atmosféricos que permitan una detallada evaluación del problema identificado. El modelo de contaminación del aire, basado en evaluar la dispersión, es la definición utilizada para detallar la aplicación de la teoría matemática con la finalidad de entender o generar predicciones en la forma en que se comportan diversos contaminantes presentes en la atmósfera
El modelamiento podría utilizarse para la ejecución de escenarios, pruebas de teorías y comprensión del impacto ambiental en el contexto de diferentes porcentajes de emisión, escenarios climáticos y de desarrollo. Hay una gran diversidad de métodos y diversas técnicas, sin embargo, el propósito siempre es el mismo: la de realizar una evaluación del impacto de los contaminantes en un área determinada utilizando un conjunto de datos existente. Para hacer esto, hacemos algunas suposiciones, usamos algunas reglas y agregamos algunos datos.
Una suposición es algo que asumimos que es válido en todas las condiciones del modelo. Entonces asumimos que la atmósfera se comporta de una manera predecible y que las plumas se comportan de una manera conocida.
Usamos algunas reglas: como factores de emisión o tasas de emisión, estas son cosas que sabemos, como el volumen y la composición de una fuente de emisión, o las reacciones que experimentan las emisiones en la atmósfera. Posteriormente, agregamos algunos datos, más comúnmente datos meteorológicos y de terreno. Con todo ello, el modelado de dispersión utiliza diversas fórmulas matemáticas para caracterizar los procesos que dispersan en
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la atmósfera un contaminante emitido por una fuente. Sobre la base de las emisiones y las entradas meteorológicas, se puede utilizar un modelo de dispersión para predecir concentraciones en ubicaciones seleccionadas de receptores a favor del viento. También nos va a servir para evaluar el cumplimiento de los Estándares de Calidad Ambiental (ECAs) para aire.
Como indica su nombre el modelo gaussiano está realizado en base a la popular ecuación de Gauss aplicado a la dispersión de un contaminante en el aire, el cual se considera aplicable para el estado estacionario: velocidad de viento constante, no hay fricción debido al viento, el componente de deposición es despreciable y también se considera una topografía plana. Es el modelo de contaminación del aire más ampliamente utilizado en la comunidad de los estudios ambientales.
Este modelo suele tener variaciones diversas dependiendo del tipo de fuente o modelo a ejecutar.
(2) La ecuación 2 representa el esquema más empleado de este modelo para evaluar la concentración de un contaminante (c) a una distancia (x) en el eje horizontal y a diferentes alturas (z), donde además Q está relacionada a la tasa de emisión del contaminante elegido proveniente de una fuente puntual y continua. Así mismo, z es la altura de un receptor del contaminante con respecto al nivel del suelo, y se va a referir a la distancia horizontal hasta el receptor, considerando el eje en el cual se presenta la dispersión, h va a denominarse como la altura de dispersión efectiva del penacho gaussiano que es además una función de la intensidad de emisión y del viento circulante, M representa a la velocidad del viento, mientras que los símbolos de σy y σz
representan a las desviaciones estándar de la indicada distribución
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gaussiana, los cuales están relacionados con condiciones existentes de turbulencia atmosférica (ver figura 1).
Figura 1
Representación esquemática de la dispersión de un contaminante del aire considerando una variación basada en la distribución gaussiana de su concentración resaltando valores de σy y σz.
Como se describe en la ecuación 2 hay algunos parámetros claves para ejecutar adecuadamente el modelo gaussiano. De manera especial hay que considerar que existen muchas formas de determinar los valores de σy y σz, los cuales se encuentran en función de la estabilidad atmosférica de Pasquill- Gifford-Turner (PGT) y la rugosidad del terreno (Hanna et al. 1989).
1.2.5 Circulación vertical y estabilidad de la atmósfera
Las categorías de la estabilidad en la atmosfera, están determinadas en base a la comparación entre las temperaturas del aire ambiental y el de una porción de aire delimitado. Este fenómeno de estabilidad ocasiona el movimiento vertical de las porciones de aire, dando origen a las diferentes
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condiciones de estabilidad. Así encontramos, las condiciones estables, donde el movimiento vertical del aire no se realiza, mientras en las condiciones inestables, la porción de aire se desplaza tanto para arriba como para debajo de manera continua, por otro lado, las condiciones neutras, no favorecen el movimiento del aire de manera vertical. Estos conceptos toman gran importancia cuando se habla de contaminación del aire por su gran influencia en el incremento de la concentración de los contaminantes.
Como se ha mencionado anteriormente, la porción de aire tiende a subir o bajar por efecto de la diferencia de temperaturas producido por la radiación solar, que al calentar el suelo este transfiere energía a la atmosfera, haciendo que las porciones de aire se calienten, y estas sean menos pesadas que el aire que los rodea.
Los cambios dados en las categorías de estabilidad es una característica principal cuando se estudia la capa de mezcla atmosférica, en ello se manifiestan tres condiciones o categorías, entre ellos: la estabilidad, inestabilidad y neutralidad; quienes son los que determinan la evolución de la altura diaria durante el día y la noche.
En ese mismo sentido Rohatgi et al. (1999) refuerzan la idea y menciona de una manera muy general que la atmosfera presenta un ciclo de estabilidad.
Durante la mitad del día (11:00 a 17:00) se presenta inestabilidad atmosférica y en la noche (20:00 a 07:00) condiciones de estabilidad. En la transición de uno a otro proceso a menudo se interpreta como condiciones de neutralidad o cuasi neutralidad. Sin embargo, en un día nublado podría presentarse neutralidad atmosférica durante todo el día.
a. Categoría estable
De acuerdo a Plate (1982) la categoría estable se produce, normalmente, durante las horas nocturnas, donde la radiación
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proporcionada por el sol es ausente. En esta categoría, la mezcla de los contaminantes es mínima o poca.
Por otro lado, para Beljaars (1992) durante las primeras horas del día, la presencia del viento o en su defecto la primera radiación solar, ocasiona que la categoría estable tienda a debilitarse, hasta desaparecer y dar comienzo a la categoría inestable, donde la mezcla de los contaminantes concentrados al nivel del suelo por efecto de la categoría estable, comience a ser más pronunciada. La figura 2 muestra de forma ideal esta condición atmosférica.
Figura 2
Variación vertical de la atmósfera (línea bajo condiciones considerado “Estable”
que ocasiona la dispersión del penacho de manera horizontal.
Nota: OPS (2012)
b. Categoría inestable:
Esta categoría comienza a darse con la salida del sol, quien es el agente que proporciona energía al suelo, ocasionando que este se caliente y de esta manera se realiza el intercambio de energía entre el suelo y las porciones de aire, este proceso genera una mezcla
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vertical intensa del aire y de los contaminantes presente en ello. Esta condición de la atmósfera se presenta en la figura 3.
Además, una porción de aire que empieza a elevarse se enfriara en el gradiente adiabático seco hasta que alcance su punto de rocío, en el que se enfriará en el gradiente adiabático húmedo.
Figura 3
Variación vertical de la atmósfera bajo condiciones considerada “Inestable” que ocasiona la dispersión del penacho de una mayor oscilación en su trayectoria.
Nota: OPS (2012) c. Categoría neutra
Es una de las categorías menos frecuentes, debido a que solo se presentan cuando el cielo está completamente nublado y se presenten fuertes vientos, esto ocasiona una escasa mezcla vertical del aire lo que muchas veces ocasiona el colapso de la capa de mezcla con una rápida disminución de su espesor. Por tanto, Zhang (1998) describen que cuando la atmósfera asume una categoría neutra, los contaminantes permanecen en un solo punto de inmisión haciendo que la concentración de los contaminantes del aire se incremente considerablemente, ejerciendo un fenómeno denominado
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“fumigación” con un severo impacto en la salud humana. Esta peligrosa categoría se presenta en la figura 4.
Figura 4
Variación vertical de la atmósfera bajo condiciones considerada “Neutra” que condiciona reducir a la dispersión del penacho de contaminante pudiendo este quedar atrapado en la parte baja de la atmósfera o regresar causando riesgo adverso a la población.
Nota: OPS (2012)
1.2.6 Clasificación del grado de estabilidad atmosférica según Pasquill – Gifford
La capacidad de dispersión de los contaminantes, está en función de la turbulencia, siendo principalmente el de origen térmico (producido por el sol) y el de origen mecánico (producido por el viento).
Las categorías de estabilidad son indicadores de la turbulencia presente en la atmósfera, por tal se pueden producir diversas categorías de estabilidad, los cuales están directamente influenciados por la diferencia de temperatura entre la porción del aire y el aire exterior. Esta clasificación realizada en detalle por los destacados especialistas en ciencias de la atmósfera Frank Pasquill (8 setiembre 1914 – 15 octubre 1994) quien trabajo en la Oficina de Meteorología
Neutro
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de Inglaterra. Luego se retiró como Jefe de la Oficina Científica. También conto con el apoyo de F. A. Gifford especialistas de la Agencia Nacional de Océano y Atmósfera de los EE.UU. El aporte de ambos ha conservado su denominación mas utilizada en este aspecto (Pasquill, 1961; Pasquill, 1974; Gifford, 1961;
Gifford, 1976).
Más recientemente este esquema ha sido revisado por EPA (2021) y tiene una larga tradición en los estudios meteorológicos y de dispersión de contaminantes del aire, incluso siendo considerado en los diversos estudios de impacto ambiental. Justamente la Agencia de Protección Ambiental de los EE.UU. ha desarrollado, desde abril 2000, sistema de modelamiento del AERMOD basado en la dispersión gaussiana que se ha utilizado en diversos esquemas regulatorios. Esta promulgación de modelo AERMOD representa la culminación de más de una década de desarrollo, evaluación y revisión:
incluidas múltiples rondas de comentarios públicos. En el 2017, la EPA finalizó una propuesta de 2015 que actualizó la Guía del AERMOD e incluyó mejoras en la formulación y aplicación del AERMOD de la EPA. Una versión gratuita del modelo AERMOD está disponible en las páginas de la EPA lo cual ha permitido su popularización en la comunidad de los estudios ambientales.
Tabla 1
Categorías de estabilidad según Pasquill – Gifford
Día
A: Muy Inestable B: Inestable
C: Ligeramente Inestable Día/Noche D: Neutra
E: Ligeramente Estable Noche F: Estable
Las categorías de estabilidad según Pasquill – Gifford, son 6, mostrados en la Tabla 1, las cuales de calculan utilizando información meteorológica como son la temperatura ambiental; la velocidad del viento, en ello se emplean 5
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categorías que van desde los < a 2 metros/segundo hasta los > a 6 metros/segundo; la nubosidad y la radiación solar, que está clasificado de la siguiente manera en tres tipos de acuerdo a su intensidad; intensidad débil, intensidad moderada e intensidad fuerte (ver Tabla 2). Por tanto, de acuerdo a Pasquill – Gifford, dentro de la categoría inestable se presentan tres clases:
muy inestable, inestable y ligeramente inestable, que se dan principalmente en horario diurno; la clase neutra abreviado con la letra D y las categorías estables, clasificadas en dos; ligeramente estable y estable, presente en las noches.
Tabla 2
Factores para determinar la Turbulencia de la Atmósfera en términos de clases de estabilidad
La caracterización de las categorías de la estabilidad atmosférica está basada en mediciones habituales y periódicas de las estaciones de observación de los servicios meteorológicos nacionales. Su determinación se basa en que la estabilidad cerca del suelo depende principalmente de la radiación solar y de la velocidad del viento. La llegada de la radiación solar durante el día despejado de nubes, va a depender de la altura del sol sobre el cenit, el cual será mayor cerca al mediodía. En caso de existir nubosidad se produce una reducción de la energía entrante, dependiendo del tipo y espesor de las nubes. También se reducirá la radiación saliente. En la Tabla 2 se presenta la definición cualitativa de las diferentes clases de estabilidad de la
Velocidad del viento (m/s) a 10 m de altura
Día Noche (2)
Radiación solar incidente
4/8 ≤ Nubosidad ≤
7/8
Nubosidad
≤ 3/8 Fuerte mayor
que 50 cal/cm2.h
Moderada entre 25 y 50 cal/cm2.h
Débil menor que 25 cal/cm2.h
< 2 A A – B B F F
2 a 3 A – B B C E F
3 a 5 B B – C C D E
5 a 6 C C – D D D D
> 6 C D D D D
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atmósfera para las condiciones en hora de sol (diurnas) y nocturnas, según la radiación solar incidente, para los diversos rangos de la velocidad de viento.
La Tabla 2 muestra las estabilidades clasificadas según las letras A, B y C las cuales representan las horas de sol (diurnas) con condiciones inestables.
Mientras que la estabilidad D representa condiciones neutras para días o noches con cielo cubierto. Las estabilidades E y F representan las condiciones nocturnas estables, y se basan en la cantidad de cobertura de nubes. Por tanto queda indicado que la clasificación A representa condiciones de gran inestabilidad y la clasificación F, de gran estabilidad.
Ante la falta de datos de radiación solar, por ello, según la cantidad y altura de las nubes y el ángulo de elevación solar, se puede calcular el nivel de radiación solar incidente, de acuerdo al cuadro siguiente:
Tabla 3
Nivel de radiación solar incidente en función de la nubosidad
1.3 Definición y términos básicos
• Capa límite planetaria: Bajo los cánones de la mecánica de fluidos, se define así a la región en la que el movimiento de un fluido es alterado por la presencia de un sólido con el que está en estrecho
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contacto. De este modo la capa límite se entiende como aquella en la que la velocidad del fluido respecto al sólido en movimiento varía desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada.
Esta capa límite puede ser considerada como laminar o turbulenta.
• Clases de Estabilidad Pasquill – Gifford: Son las seis clases que caracterizan los diferentes niveles de estabilidad atmosférica usados para estimar los parámetros de dispersión horizontal y vertical que serán ingresadas en la ecuación de distribución gaussiana.
• Condiciones Inestables: Son las condiciones en las que la atmósfera circundante tiene un gradiente vertical mayor que el gradiente vertical adiabático (con un enfriamiento a más de 9,8 °C/1.000 m), de modo que la porción que se eleva seguirá siendo más cálida que el aire circundante.
• Condiciones neutrales: Estas condiciones no estimulan ni inhiben el movimiento vertical de aire. La condición neutral es importante porque constituye el límite entre las condiciones estables e inestables.
• Contaminación atmosférica: Es la presencia en el aire de materias o formas de energía que implican riesgo, daño o molestia grave para los seres vivos, así como que puedan atacar a distintos materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables.
• Emisión: Es la cantidad de contaminante vertido a la atmosfera en un periodo determinado desde un foco.
• Estabilidad atmosférica: Es el grado de turbulencia de la atmósfera que se determina a partir de la diferencia de temperatura entre una porción de aire y el aire circundante
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• ECAs: Estándar de calidad ambiental para aire, es el valor de referencia para el cumplimiento de la protección de la salud de las personas y de los ecosistemas.
• Inmisión: Es la concentración de contaminantes a nivel del suelo.
• Material particulado: Son las partículas sólidas de dimensiones, que según definición del Estándar de Calidad Ambiental (ECA) para aire del MINAM está definido en dos fracciones: PM2.5 (partículas menores de 2.5 micrómetros) y PM10 (partículas menores de 10 micrómetros) con sus respectivos valores de referencia para fines de evaluación, cumplimiento de la norma y fiscalización ambiental.
• Periodo húmedo: Espacio de tiempo donde la precipitación es común, con jornadas típicamente con lluvias y humedad. Para el caso de Huancayo se ubica principalmente para el periodo de los meses de enero a marzo.
• Punto de rocío: Es la más alta temperatura a la que empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo roció, neblina, cualquier tipo de nube o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha.
• Turbulencia: Movimiento desordenado de un fluido en el cual las moléculas, en vez de seguir trayectorias paralelas, describen trayectorias sinuosas y forman torbellinos.
39 1.4 Hipótesis de la investigación
1.4.1 Hipótesis general (nula)
La turbulencia atmosférica tiene un efecto estadísticamente significativo sobre la dispersión del material particulado en Huancayo.
1.4.2 Hipótesis específicas
Ho1: Las condiciones de viento no cambian en el periodo enero a marzo 2019.
Ho2: La frecuencia de las categorías de estabilidad atmosférica son iguales
Ho3: La variación horaria de la turbulencia es igual a lo largo del día.
Ho4: No existen cambios en la dispersión del material particulado debido a la estabilidad atmosférica.
1.5 Operacionalización de las variables
En este caso considerando que la hipótesis es:
Hi: La turbulencia atmosférica tiene un efecto estadísticamente significativo sobre la dispersión el material particulado en Huancayo.
Las variables quedarán definidas de la siguiente manera:
1.5.1. Variables independientes
• Variable X1: Radiación solar X1: Radiación global (cal.cm2.h)
• Variable X2: Viento
X2: Velocidad del viento (m/s)
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• Variable X3: Estabilidad atmosférica X3: Categorías de estabilidad atmosférica
(Pasquill – Gifford) (adimensional)
1.5.2. Variable dependiente
• Variable Y: Dispersión de material particulado Y: Concentración de PM10 y PM2.5 (ug/m3)
41 CAPITULO II
DISEÑO METODOLÓGICO 2.1 Tipo y nivel de investigación
2.1.1 Tipo de investigación
Este trabajo propone la realización de una investigación de tipo aplicada en razón de que se utilizaron conocimientos de las ciencias químicas y estadísticas a fin de aplicarlas para cuantificar el aporte de contaminación del aire.
2.1.2 Nivel de investigación
Este trabajo propone la realización de investigación de tipo descriptivo en razón de que describe la realidad de situaciones, eventos que se estén abordando y que se pretenda analizar. Esta descripción se realizará mediante la observación para luego describir, analizar e interpretar las características del problema a estudiar fundamentando en la realidad del escenario planteado.
2.2 Métodos de investigación
El método de investigación a emplearse es el de síntesis que consiste en el acopio racional de información dispersa de un tema específico como es la contaminación del aire para estudiarlos en su totalidad.
2.3 Diseño de investigación
Entre las acciones a realizar para el presente trabajo están:
✓ Implementar una torre meteorológica para estudios de la turbulencia atmosférica
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✓ Generar rosas de viento para describir la frecuencia de la velocidad y la predominancia de la dirección del viento (sotavento y barlovento).
✓ Determinar los indicadores de turbulencia basados en la clasificación de Pasquill – Gifford
✓ Aplicar un modelo de dispersión para evaluar los cambios de concentración del contaminante del aire.
2.4 Población y muestra 2.4.1 Población
La población del estudio, es la dinámica del viento en la ciudad de Huancayo.
2.4.2 Muestra
Registro de la velocidad del viento durante cada día en la estación meteorológica de la UNCP.
2.4.3 Técnica de muestreo
Para la presente tesis se han considerado las siguientes técnicas e instrumentos de recolección de datos:
- Se ha contado con la disponibilidad de una torre meteorológica de 5 niveles, instalado en la Biblioteca Central del Campus Universitario de la Universidad Nacional del Centro del Perú; con coordenadas geográficas: 12° 01´ 59.26” S, 75° 14´ 14.72” O, en ello se encuentran instalados los instrumentos de medición como los anemómetros sónicos (modelo WS200 y marca Lufft de Alemania) y termó- higrometros (modelo HMP60 y marca Vaisala de Finlandia). Estos instrumentos fueron instalados en distintas alturas, s0iendo estos 2, 7, 12, 20 y 29 metros.
- Los datos de temperatura, humedad, velocidad y dirección de viento, se registraban cada minuto durante las 24 horas del día, estos se
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almacenaban automáticamente en una data y se recolectaba cada cierto tiempo.
- Se contó con datos de un piranómetro (modelo CMP21 y marca Kipp
& Zonen de Holanda), instrumento que sirve para medir la intensidad de la radiación solar incidente, este instrumento de medición está instalado en las inmediaciones del campus universitario de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
2.5 Técnicas e instrumentos de recopilación de datos
Para el presente estudio se ha considerado las siguientes técnicas de procesamiento y análisis del resultado:
Para la determinación del grado de estabilidad atmosférica en la ciudad de Huancayo, se emplearon las variables meteorológicas de la intensidad de la radiación incidente y la velocidad de viento, los cuales se miden en watts por centímetro cuadrado y metros por segundo, respectivamente. Esta información se obtuvo de la torre meteorológica y el anemómetro sónico, ambos instalados en el Campus de la Universidad Nacional del Centro del Perú. El procedimiento empleado es el siguiente; en primera instancia se realizó la conversión de unidades de la radiación incidente el cual se encuentra en watts/metro cuadrado a calorías/centímetro cuadrado; obtenido la intensidad de la radiación incidente lo relacionamos con la información de la velocidad del viento, (ver Tabla 02), es de esta manera como se obtuvo el grado de la estabilidad atmosférica.
Respecto a la obtención de la predominancia del viento en la temporada húmeda, el cual corresponde a los meses de enero a marzo, se realizó el procesamiento de la información (obtenida del anemómetro sónico presente en la torre meteorológica), utilizando el software gratuito Wind Rose Plot (WRPLOT) de la empresa Lakes Environment de EE.UU., que es un software empleado para elaborar las rosas de viento, el cual indica la predominancia del viento a distintas horas del día en la ciudad de Huancayo.
44 2.6. Técnica de procesamiento de datos
El procesamiento de datos se realizará, utilizando la metodología propuesta por Pasquill – Gifford, para lo cual de obtendrá información sobre las diferentes categorías de la estabilidad de la atmósfera.
Para el procesamiento de los datos de dirección y velocidad del viento se aplicó la técnica de dibujar la rosa de vientos. Para facilitar este procesamiento se utilizó el software WRPLOT que es de uso gratuito. Con este resultado se obtendrá una adecuada evaluación de los datos colectados por el anemómetro sónico instalado en la Biblioteca de la Universidad Nacional del Centro del Perú, que resulta representativo para las condiciones existentes en la ciudad de Huancayo.
45 CAPITULO III
ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 3.1 Resultados
3.1.1 Comportamiento del grado de estabilidad atmosférica
Los diversos datos meteorológicos obtenidos en la torre de mediciones del Campus de la Universidad Nacional del Centro del Perú han sido colectados y organizados y, de manera especial, han sido analizados los datos de viento.
El estudio del comportamiento de la Estabilidad Atmosférica, basado en las frecuencia del registro de las categorías Pasquill-Gifford, para la ciudad de Huancayo, en su época lluviosa (enero a marzo del 2019) se muestra en la tabla 4, en el cual se observa, que de 959 horas de evaluación resalta principalmente que la categoría “Inestable” es la que muestra mayor predominancia con 379 horas por época, seguido de la categoría “Muy Inestable” a “Inestable” con 212 horas para la época de estudio. La categoría con menor predominancia de acuerdo a los resultados es la de “Ligeramente Inestable” a “Neutro” con solo 8 horas/época. Los detalles adicionales de la variación.se ven en la Tabla 4.
