Meteorología

La meteorología es la ciencia que estudia los movimientos de la atmósfera, su composición, la transferencia de la radiación y los procesos físicos relacionados con la formación de nubes, la precipitación y la electricidad atmosférica.

Dispersión atmosférica

La dispersión es un proceso físico relacionado con el complejo comportamiento en flujo de la máquina térmica atmosférica. Los movimientos atmosféricos se generan debido a:

• Gradiente de presión: impulsa el movimiento del aire de áreas de alta presión a zonas de baja presión.
• Fuerza de Coriolis: debida a la rotación de la Tierra; actúa en ángulo recto a la dirección del viento.
• Gravitación: 9,8 m/s².

Climatología

La climatología es la ciencia que estudia las propiedades de la atmósfera a largo plazo. La climatología clásica se distinguió por un carácter descriptivo, ligado a la geografía física.

Diferencias entre tiempo y clima

Tiempo: es el estado instantáneo de la atmósfera en un momento y lugar dados.

Clima: es la síntesis de las condiciones meteorológicas correspondientes a un área geográfica dada, elaborada en base a un período suficientemente largo como para establecer sus propiedades estadísticas (valores medios, varianzas, probabilidades de fenómenos extremos, etc.).

Elementos del clima

Características atmosféricas objetivamente observables y cuantificables, de las que depende el tipo de clima y las clasificaciones del mismo (cálido, seco, húmedo, templado, etc.):

• Temperatura – evaporación.
• Humedad: precipitación (en mm anuales), humedad relativa, nubosidad, etc.
• Presión atmosférica – vientos.

Factores del clima

Determinantes y controladores de los elementos del clima de una región:

1. Latitud.
2. Distribución tierra–océano.
3. Circulación atmosférica global (vientos dominantes).
4. Albedo (reflectancia de la superficie terrestre: hielo, cubierta vegetal, nubosidad).
5. Corrientes oceánicas.
6. Altitud.
7. Orografía.

Los controles del clima a nivel global dependen de la interacción energía Sol–Tierra.

Sol y balance térmico de la atmósfera

Sol: la energía solar es el motor del sistema climático.

Balance térmico de la atmósfera

Dado que la energía del Sol siempre ingresa en la atmósfera, si toda la energía se almacenara en el sistema Tierra–atmósfera, la Tierra se podría recalentar. Por ello, la energía debe liberarse de nuevo al espacio. La radiación recibida regresa como radiación terrestre y da lugar a un balance térmico, llamado balance de radiación.

Transporte de calor

Además de la radiación, el calor se transmite por conducción, convección y advección. Estos procesos afectan la temperatura de la atmósfera cercana a la superficie terrestre.

Conducción

La conducción es el proceso por el cual se transmite el calor a través de la materia sin que ésta se transfiera en sí. El calor es conducido de un objeto más caliente a uno más frío.

Convección

La transferencia de calor por convección se produce cuando la materia está en movimiento. El aire que se calienta por la superficie terrestre se elevará porque es más ligero que el del ambiente; el aire calentado se eleva y transfiere el calor verticalmente.

Advección

Los meteorólogos emplean el término advección para denotar la transferencia de calor que se produce principalmente por el movimiento horizontal del aire, en contraste con la convección (movimiento vertical).

Gradiente ambiental/atmosférico

El perfil de la temperatura del aire ambiental muestra el gradiente vertical atmosférico. Es importante para la circulación vertical, ya que la temperatura del aire circundante determina el grado en que una porción de aire se eleva o desciende. El fenómeno producido cuando la temperatura aumenta con la altitud se conoce como inversión de la temperatura (inversión térmica). Esta situación es clave en la contaminación del aire porque limita la circulación vertical.

Nubes

Una nube es un hidrometeoro formado por una masa visible de cristales de nieve o gotas microscópicas de agua suspendidas en la atmósfera. Las nubes dispersan la luz visible y por eso se ven blancas; sin embargo, si son demasiado gruesas o densas, la luz no las atraviesa y entonces se ven grises o incluso negras.

Clasificación de nubes troposféricas

• Nubes altas (más de 6 000 m): compuestas de cristales de hielo.
  • Cirrus (Ci): nubes aisladas de textura fibrosa sin sombras propias, generalmente de color blanco con brillo sedoso; pueden ser filamentosas.
• Nubes medias (entre 2 500 y 6 000 m): compuestas de agua y hielo.
  • Altocúmulus (Ac): banco o modo de empedrado con masas globulares aplanadas y dispuestas de manera regular.
• Nubes bajas (menores de 2 500 m): compuestas de agua.
  • Estratus (St): manto nuboso uniforme, análogo a la niebla pero sin tocar el suelo.
  • Nimbostratus (Ns): nublado bajo, amorfo y lluvioso de color gris oscuro, casi uniforme.

Viento

El viento es el flujo de gases a gran escala. En la Tierra, el viento es el movimiento en masa del aire en la atmósfera. En meteorología se denominan los vientos según su fuerza y dirección.

Los aumentos repentinos de la velocidad del viento durante un tiempo corto reciben el nombre de ráfagas. Los vientos fuertes de duración intermedia (aproximadamente un minuto) se llaman turbonadas.

Brisa, temporal, tormenta, huracán, tifón: términos que describen vientos de larga duración según su fuerza media.

Ciclón y anticiclón

Ciclón: aire caliente y ascendente; asociado a baja presión y lluvia. El aire converge abajo y diverge arriba.

Anticiclón: aire frío y descendente; asociado a alta presión y sequía. El aire converge arriba y diverge abajo.

Elevación de la pluma

Los gases emitidos por chimeneas muchas veces son impulsados por abanicos. A medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la pluma, se mezclan con el aire del ambiente. Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma, permite que los contaminantes emitidos se eleven a una altura mayor en la atmósfera, donde experimentarán mayor dispersión antes de llegar al suelo.

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 (ΔH). En la práctica, la elevación de la pluma se estima a partir de la distancia hasta la línea central imaginaria de la pluma y no hasta el borde superior o inferior de esta (figura).

La elevación de la pluma depende de las características físicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea). La diferencia de temperatura entre el gas de la chimenea (Ts) y el aire ambiental (Ta) determina la densidad de la pluma y, por tanto, su elevación.

Comportamiento de la pluma

• Pluma espiral: se produce en condiciones muy inestables debido a la turbulencia causada por un giro rápido del aire. Aunque las condiciones inestables favorecen la dispersión, a veces pueden producir altas concentraciones momentáneas en el nivel del suelo si los espirales de la pluma se mueven hacia la superficie.
• Pluma abanico: se produce en condiciones estables con gradiente de inversión; inhibe el movimiento vertical sin impedir el horizontal, y la pluma puede expandirse por varios kilómetros en contra del viento de la fuente.
• Pluma de cono: característica de condiciones neutras o ligeramente estables; es más probable en días nublados o soleados.

Velocidad y dirección del viento

La velocidad del viento determina la cantidad de dilución inicial que experimenta una pluma. Por lo tanto, la concentración de contaminantes en una pluma está directamente relacionada con la velocidad del viento. También influye en la altura de elevación de la pluma después de ser emitida: a mayor velocidad del viento, la elevación de la pluma puede disminuir al ser deformada por el viento, manteniéndose más cerca del suelo y causando impacto a distancias más cortas a sotavento.

Uso de modelos de dispersión de calidad del aire

El uso de modelos de dispersión permite determinar resultados o predecir lo que podría ocurrir en un sistema a partir de un conjunto de datos de entrada.

¿Qué permite un modelo? La utilización de modelos de dispersión hace posible estimar el impacto sobre la calidad del aire de una fuente y, por tanto, predecir si se van a sobrepasar los límites permisibles de calidad del aire.

Definiciones básicas de dispersión

Consisten en expresar de forma matemática la concentración de los contaminantes emitidos desde una fuente. Los modelos más utilizados se basan en la distribución de Gauss. Según la dispersión gaussiana, existirá una región de mayor concentración y dos zonas simétricas en las que ésta irá disminuyendo paulatinamente hasta alcanzar un valor mínimo.

Distribución gaussiana

Condiciones y consideraciones:

1. La distribución gaussiana y la elevación de la pluma dependen de que el suelo sea relativamente plano a lo largo del recorrido.
2. La topografía afecta el flujo y la estabilidad atmosférica del viento.
3. Un terreno desigual debido a la presencia de cerros y valles afectará la dispersión de la pluma y la distribución gaussiana deberá ser modificada.

Control de la contaminación atmosférica

Control de fuentes fijas: dos líneas de actuación principales:

1. Modificaciones en el proceso de producción para impedir o minimizar las emisiones.
2. Uso de técnicas que ayuden a eliminar la contaminación producida. En este último caso debe tenerse en cuenta qué hacer con los residuos.

Al eliminar la contaminación debemos considerar si ésta es gaseosa o por partículas. En el primer caso existen cuatro categorías principales: absorción, adsorción, condensación e incineración.

Absorción

Absorción: retención de contaminantes mediante su absorción por un absorbente húmedo o una disolución que circula en contracorriente del contaminante. El tratamiento puede ser físico (disolución) o químico (reacción), o ambos.

Adsorción

Adsorción: retención de contaminantes sobre sólidos por fenómenos de tensión superficial. La eficacia del método depende del sistema sólido–gas. Se requieren adsorbentes de elevada porosidad y área superficial. Cuando el adsorbente se satura es necesaria su regeneración o sustitución.

Condensación

Condensación: se permite que el gas se condense sobre un fluido, dividiéndolo en pequeñas gotas, o mediante intercambios de calor.

Incineración

Incineración: se añade combustible a los gases de salida o se hace pasar por un lecho catalítico para completar la combustión (conversión a CO₂ y H₂O) de los gases nocivos.

Elementos a tener en cuenta al diseñar sistemas de control

• Eficiencia de captación: los límites de emisión suelen fijarse por normas regulatorias; la eficiencia de captación se diseña para condiciones particulares de funcionamiento. Si cambian estas condiciones, su eficacia puede variar enormemente.
• Pérdidas de carga: la introducción de un sistema de control suele introducir pérdidas de presión en el flujo de salida de gases y/o partículas; a veces es necesario instalar aparatos para aumentar la presión a la salida del sistema.
• Costo del sistema: debe instalarse el sistema que logre alcanzar altas eficiencias de colección al menor costo posible.

Procesos de adsorción

Adsorción: proceso mediante el cual se produce un fraccionamiento selectivo de una sustancia desde la fase gaseosa o líquida a un sustrato sólido. El sólido se denomina adsorbente o sustrato y la sustancia que se elimina de la corriente se denomina adsorbato.

Adsorción física

En la adsorción física entra en juego la fuerza dispersiva de London (una fuerza tipo van der Waals) entre las moléculas del sólido y las moléculas del gas. Esta fuerza puede retener la sustancia sobre la superficie del sólido frente a las fuerzas que tratan de mantenerla en la corriente gaseosa. En la adsorción se libera energía cinética, por lo que el proceso es exotérmico. La energía liberada está en el orden de 2–20 kJ/mol.

Adsorción química

En la adsorción química se produce un enlace químico entre el adsorbato y el adsorbente; hay intercambio de electrones. Este enlace es mucho más fuerte que en la fisisorción y se libera mayor energía, del orden de 20–400 kJ/mol.

Para que se produzca la adsorción se debe poner en contacto el sólido con el gas o líquido; cuanto mayor sea la superficie de contacto, mayor será la adsorción. Se emplean sustratos con gran superficie por unidad de masa, es decir, sustancias muy porosas. Un ejemplo común es el carbón activado, con razones área/masa de 10⁵ a 10⁶ m²/kg.

Materiales adsorbentes

1. Carbón activado (hidrocarburos, disolventes).
2. Sílica gel (vapor de agua).
3. Alúmina activada.
4. Zeolitas o tamices moleculares (permite controlar muy bien el tamaño del poro).

La eficiencia viene determinada por: naturaleza química, superficie específica (m²/kg), distribución del tamaño del poro y tamaño de partícula.

Usos de la adsorción

Recuperación de disolventes orgánicos / tratamiento de malos olores / tratamiento de vapores tóxicos.

Combustión

Combustión: mediante este proceso se añade una cierta cantidad de calor al material combustible (hasta que alcanza su punto de ignición) para que se produzca la oxidación de los compuestos reducidos del carbono, con la subsiguiente liberación de energía. Se libera la energía que en su momento se empleó en reducir el CO₂ atmosférico cuando se formó la materia orgánica. En el proceso intervienen tres componentes: el combustible (líquido, sólido, gaseoso), el oxidante (oxígeno) y el diluyente (nitrógeno).

Obteniendo como productos

1. Productos orgánicos oxidados, CO₂ y H₂O.
2. Productos oxidados de otras sustancias presentes en el combustible.
3. Productos residuales parcialmente oxidados, como hidrocarburos no quemados y CO.
4. Diluyentes: nitrógeno y oxígeno no utilizados.

La reacción química estequiométrica teórica se expresa en el documento original como: 2B = 2X + Y/2.

Es habitual que la combustión se realice con exceso de aire (aire utilizado / aire teórico) para asegurar que todo el combustible se oxida.

Factores que afectan a la combustión

1. Temperatura: la velocidad a la que los materiales combustibles se oxidan depende fuertemente de la temperatura de trabajo del incinerador. En general, un aumento de la temperatura produce un incremento de la velocidad de oxidación. Se debe alcanzar al menos la temperatura de ignición de las sustancias que se quieren eliminar. Como una mayor temperatura puede implicar más combustible y mayor coste, se debe evaluar la cantidad de combustible a añadir (a veces el material a oxidar contribuye a generar calor, ahorrando combustible).
2. Tiempo de residencia: además de alcanzar la temperatura apropiada, se debe mantener un tiempo mínimo a esa temperatura para que todas las sustancias nocivas sean eliminadas. El tiempo de residencia depende de la geometría de la cámara de combustión y del flujo de paso de la corriente gaseosa, y está relacionado con la temperatura.
3. Turbulencia: es necesario que exista una buena mezcla entre el oxígeno y el combustible; si no ocurre, parte del combustible puede no oxidarse y escapar. También es necesario que toda la mezcla combustible alcance la temperatura de ignición. La corriente de gases de desecho se puede calentar por contacto directo con la llama del combustible auxiliar o mezclándolos con los gases generados en el proceso de combustión, corriente debajo de la llama. Aunque el contacto directo con la llama es el método más rápido para alcanzar altas temperaturas, a veces es contraproducente, porque puede producir un efecto de dilución al añadir una mezcla más fría y disminuir la temperatura de la llama.
4. Oxígeno: el proceso de combustión necesita oxígeno; hay que mantener un aporte mínimo de gas, al menos el que corresponde a la relación estequiométrica.