Ing. Luis Gamarra Chavarry

Condiciones neutrales, condiciones estables e

inestables, las estratificaciones de la capa límite

planetaria, estimaciones semiempíricas de los

parámetros de la capa limite, escalas en la capa

superficial.

METEOROLOGÍA DE LA

CONTAMINACIÓN DEL AIRE

Mg. Ing. Luis Gamarra Chavarry Ingeniero Geógrafo - Economista

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

La atmósfera está animada por movimientos constantes, en cuyo

seno existe equilibrio vertical, que es consecuencia del equilibrio

entre dos fuerzas:

Progresivo descenso de la presión con la altitud

Fuerza de la gravedad

Ley del equilibrio hidrostático

MECANISMOS QUE IMPULSAN EL MOVIMIENTO

ASCENDENTE DEL AIRE

Diferentes procesos que se pueden considerar adiabáticos

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

Donde:

dp = Variación de la presión

=densidad del aire (1.29 Kg/m3) en aire seco

g = aceleración de la gravedad (9.8 m/seg2)

dz = variación de la altitud

Ley del equilibrio hidrostático

dp = -*g*dz

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

a) Ley del equilibrio hidrostático

Los movimientos verticales están limitados por:

b) Condiciones de estabilidad general de la atmósfera

Las cuales a escala sinóptica e inferiores dependen :

a) Del gradiente térmico vertical

b) De los gradientes adiabáticos

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

GRADIENTE TERMICO VERTICAL ( α )

Es el descenso de la temperatura con la altitud.

La temperatura del aire será mayor cuanto más cerca se esté del foco de

calor y disminuirá al alejarnos de él

1. El vapor de agua desciende con la altura

2. El aire que asciende hacia capas atmosféricas superiores es cada vez

más frío, porque en su desplazamiento se expande, al estar sometido

a presiones cada vez menores y como resultado de ello se enfría

GRADIENTE TERMICO VERTICAL

METEOROLOGIA R A D I O S O N D A

Elemento llevado a la atmósfera a través de

un globo inflado por hidrógeno u otro gas

liviano. Está provisto de disposit ivos

(sensores) que permiten determinar uno o

varios parámetros meteorológicos (presión,

temperatura, humedad y viento) y que,

además, cuenta con un s is tema de

transmisión a un equipo ubicado en tierra.

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

GRADIENTE TERMICO VERTICAL ( α )

En promedio el descenso térmico es de 0.65ºC por cada 100 metros de

elevación.

Pero este valor cambia ampliamente con el tiempo y de un lugar a otro

según las condiciones atmosféricas y la influencia de la superficie. Lo

que se conoce como CURVAS DE ESTADO

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

GRADIENTE TERMICO VERTICAL ( α )

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

GRADIENTE TERMICO VERTICAL ( α )

CURVAS DE ESTADO

1. Gradiente uniforme

2. Calentamiento intenso del suelo

3. Movimientos turbulentos del aire

4. Condiciones de subsidencia anticiclónica

5. Acusado enfriamiento del suelo en noches de cielo despejado

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

PROCESOS ADIABATICOS ( γ )

Cambios térmicos de las partículas o masas de aire que se

mueven verticalmente dentro de la atmósfera, que como todo

gas posee cierta energía interna que depende de la presión, de

modo que si se expande disminuye su temperatura y si se

comprime ésta aumenta.

Suministro de calor Por variación de la presión

Sin intercambio o mezcla de calor con el gas circundante

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

PROCESOS ADIABATICOS ( γ )

Suministro de calor Intercambio de energía interna +

realización de trabajo

Ley de Boyle: A temperatura constante, el volumen de una masa de gas

varía en proporción inversa a su presión

P = K

V

Los procesos que se dan en la

atmósfera en los que no existe

intercambio calorífico con el exterior

del sistema se llaman adiabáticos.

En la atmósfera los ascensos y descensos del aire se

producen tan rápido que no tiene tiempo de

intercambiar eficazmente calor con el aire del

entorno. Toda compresión adiabática lleva consigo

un calentamiento y toda expansión en las mismas

condiciones, un enfriamiento. Además, como la

presión atmosférica desciende con la altitud, puede

definirse que si una pequeña parte del aire "burbuja",

asciende verticalmente, se encuentra con presiones

menores, por lo que paulatinamente, se expande y

enfría, y lo contrario ocurre al descender.

Procesos Adiabaticos

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

PROCESOS ADIABATICOS ( γ )

Ley de Charles: A presión constante, el volumen de una masa de gas

es directamente proporcional a la temperatura absoluta

V = K * T

P*V = m*R*T

Ascenso P V T

Descenso P V T

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

GRADIENTE ADIABATICO DE TEMPERATURA

Proporción con que varia la temperatura de una masa de aire que se

eleva del suelo o que desciende hacia él.

1. Gradiente adiabático del aire seco. Cuando una masa de aire se

enfría o calienta a razón de 1ºC por cada 100 metros de elevación o

descenso (más aproximadamente a 0.98ºC/100m)

2. Gradiente adiabático del aire húmedo. Cuando una masa de aire

se enfría o calienta a razón de: Cerca del suelo 0.5ºC/100m.

MOVIMIENTOS VERTICALES DEL AIRE Y PROCESOS

ADIABATICOS

GRADIENTE TERMICO VERTICAL ( α ) Y GRADIENTES

ADIABATICOS ( γ )

ESTABILIDAD E INESTABILIDAD DEL AIRE

Puede ser de tres tipos:

1. Estable. En función de que una vez desplazado de su

posición inicial por un impulso exterior, tienda a

recuperar su nivel de partida. Es decir cuando el aire

se opone al movimiento y vuelve a su posición inicial

una vez cesado la fuerza causante del desplazamiento

2. Inestabilidad. Cuando se aleja de su punto de partida

3. Indiferente. Cuando el aire desplazado sigue estando

en equilibrio en la nueva posición alcanzada.

Estable

Inestable

TIPOS DE EQUILIBRIO EN LA ATMOSFERA

TIPOS DE EQUILIBRIO EN LA ATMOSFERA

Puede ser de cuatro tipos:

1. Aire estable. Cuando el gradiente térmico de la atmósfera es muy

débil, inferior a los dos gradientes (es decir α < γ ).

2. Aire inestable. Cuando el gradiente térmico de la atmosfera es

fuerte, superior a los valores adiabáticos (es decir α > γ ).

3. Aire en equilibrio neutro o indiferente. Cuando el gradiente

térmico de la atmosfera es paralelo a los valores adiabáticos (es decir

α = γ ).

4. Aire en inestabilidad condicional. Cuando el gradiente térmico de

la atmósfera se sitúa entre la adiabática seca y adiabática saturada.(es

decir γ´ < α < γ ).

TIPOS DE EQUILIBRIO EN LA ATMOSFERA

ESTRATIFICACION ATMOSFERICA

INVERSION POR SUBSIDENCIA EN

ALTURA

INVERSION DE TIERRA CON

FORMACION DE NIEBLAS

MECANISMOS QUE IMPULSAN EL MOVIMIENTO

ASCENDENTE DEL AIRE

INVERSION TERMICA

Fenómeno que se presenta cuando el patrón normal de

temperatura en la atmósfera se comporta de forma

contraria, es decir, aumenta con la altitud. La presencia de

una inversión provoca estabilidad en la atmósfera.

Coloquialmente se le da el nombre de "Inversión Térmica"

INVERSION TERMICA

Inversión Térmica

Anticiclon

Subtropical

Drenage de

Aire Frio

Inversion Termica - Aire Caliente

Viento del Este

Brisa Fria Marina

Inversion Termica

La Inversion termica contribuye a la contaminacion atmosferica , porque disminuye la dispersion vertical de la contaminacion y esto implica que la contaminantes se ubiquen cerca de la superficie donde nosotros vivimos.

Aire caliente

Aire frio

Perfil vertical de Temperatura

Inversion

Sudsidencia

Masa de Aire

Fria Costera

GRADIENTE VERTICAL ADIABÁTICO SECO

GRADIENTE VERTICAL ADIABÁTICO HÚMEDO

GRADIENTE VERTICAL AMBIENTAL

INVERSIÓN DE LA TEMPERATURA

RELACIÓN DEL GRADIENTE ADIABÁTICO CON LA TEMPERATURA DEL AIRE

ALTURA DE MEZCLA

AUMENTO DE LA FLOTABILIDAD RELACIONADO CON LA INESTABILIDAD (GRADIENTE VERTICAL SUPERADIABÁTICO)

CONDICIONES INESTABLES

CONDICIONES NEUTRALES

CONDICIONES ESTABLES

ESTABILIDAD CONDICIONAL

TEMPERATURA DE INVERSIÓN

INVERSIÓN POR RADIACION – CICLO DIURNO

INVERSIÓN POR SUBSIDENCIA

INVERSIÓN FRONTAL (FRENTE FRIO)

INVERSIÓN POR ADVECCIÓN BASADA EN LA SUPERFICIE

INVERSIÓN POR ADVECCIÓN BASADA EN EL TERRENO

CIRCULACION VERTICAL Y ESTABILIDAD DE LA ATMOSFERA Estabilidad y comportamiento de la pluma El grado de estabilidad atmosférica y la altura de mezcla resultante tienen un importante efecto en las concentraciones de contaminantes en el aire. Los contaminantes que no se pueden dispersar hacia arriba lo pueden hacer horizontalmente a través de los vientos superficiales. La combinación de los movimientos verticales y horizontales del aire influye en el comportamiento de las plumas de fuentes puntuales (chimeneas).

PLUMA DE ESPIRAL La pluma de espiral se produce en condiciones muy inestables debido a la turbulencia causada por el acelerado giro del aire. Mientras las condiciones inestables generalmente son favorables para la dispersión de los contaminantes, algunas veces se pueden producir altas concentraciones momentáneas en el nivel del suelo si los espirales de la pluma se mueven hacia la superficie.

PLUMA DE ABANICO La pluma de abanico se produce en condiciones estables. El gradiente de inversión inhibe el movimiento vertical sin impedir el horizontal y la pluma se puede extender por varios kilómetros a sotavento de la fuente. Las plumas de abanico ocurren con frecuencia en las primeras horas de la mañana durante una inversión por radiación.

PLUMA DE CONO La pluma de cono es característica de las condiciones neutrales o ligeramente estables. Este tipo de plumas tiene mayor probabilidad de producirse en días nubosos o soleados, entre la interrupción de una inversión por radiación y el desarrollo de condiciones diurnas inestables.

Obviamente, un problema importante para la dispersión de los contaminantes es la presencia de una capa de inversión, que actúa como una barrera para la mezcla vertical. Durante una inversión, la altura de una chimenea en relación con la de una capa de inversión muchas veces puede influir en la concentración de los contaminantes en el nivel del suelo.

PLUMA DE FLOTACIÓN Cuando las condiciones son inestables sobre una inversión, la descarga de una pluma sobre esta da lugar a una dispersión efectiva sin concentraciones notorias en el nivel del suelo alrededor de la fuente. Esta condición se conoce como flotación.

FUMIGACION Si la pluma se libera justo debajo de una capa de inversión, es probable que se desarrolle una grave situación de contaminación del aire. Ya que el suelo se calienta durante la mañana, el aire que se encuentra debajo de la mencionada capa se vuelve inestable. Cuando la inestabilidad alcanza el nivel de la pluma entrampada bajo la capa de inversión, los contaminantes se pueden transportar rápidamente hacia abajo hasta llegar al suelo. Este fenómeno se conoce como fumigación. Las concentraciones de contaminantes en el nivel del suelo pueden ser muy altas cuando se produce la fumigación. Esta se puede prevenir si las chimeneas son suficientemente altas.

Ejemplo: carta de radiosondeo

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CASO 1 : INVERSION TERMICA POR HELADA

DIA 18 de Junio 2004

http://www.cptec.inpe.br http://br.weather.com/maps/regioesdomundo/intlamericadosul/index_l

arge.html

MADRUGADA (4 a.m.) 18 de Junio 2004

SO2 : 36.7 µg/m3

T : -3.6 °C

HR : 58.5 %

V : 3.5 m/s

MAÑANA (6 a.m.)

SO2 : 36.6 µg/m3

T : -4.8 °C

HR : 61.4 %

V : 3.5 m/s

18 de Junio

2004

MAÑANA (8 a.m.)

SO2 : 51.2 µg/m3

T : -2.3 °C

HR : 60.8 %

V : 2.7 m/s

18 de Junio 2004

MAÑANA (10 a.m.)

SO2 : 3,327.6 µg/m3

T : 5 °C

HR : 34.5 %

V : 1.6 m/s

18 de Junio 2004

MEDIODIA (12 m.)

SO2 : 41.2 µg/m3

T : 12.1 °C

HR : 21.5 %

V : 2.6 m/s

18 de Junio 2004

TARDE (2 p.m.)

SO2 : 35.1 µg/m3

T : 16.1 °C

HR : 21.7 %

V : 4.6 m/s

18 de Junio 2004

OTROS MÉTODOS PARA ESTIMAR LA ESTABILIDAD

Uno de los métodos de estimar la estabilidad y el grado de turbulencia útiles en aquellos problemas relacionados con la difusión de contaminantes es el método propuesto por Pasquill.

Indices de estabilidad de Pasquill

GRADIENTE DE LA TEMPERATURA DEL AIRE Y GRADIENTE

ADIABATICO SECO

Temperatura del

Aire Adiabatica

Seca

GRADIENTE DE TEMPERATURA AMBIENTAL Y ADIABATICO

Variación de la temperatura del aire y la

velocidad del viento con la altitud

Gradiente de la

Temperatura del Aire

Gradiente

Adiabatico Seco

Sondeo de la temperatura del Aire en los Angeles. Nótese una inversión térmica a

los 1000 ft el cual establece una “capa” encima de la ciudad y consecuentemente

una contaminación atmosferica, este tipo de inversion es llamado Inversión Térmica

por Subsidencia causado por un descenso de masa de aire calida encima de la

ciudad.

Sondeo de la Temperatura Vertical de la atmosfera en Los Angeles, 4 p.m.

Gradiente de la

Temperatura del Aire

Gradiente

Adiabatico Seco

Gradiente de la temperatura del Aire en un dia de cielo despejado,

donde se aprecia la formacion de la INVERSION TERMICA POR

HELADA

6 p.m. 6 a.m.

Temperatura

A

l

t

u

r

a

La Inversion termica por Irradiacion o por Helada es muy común y es causado por la

radiacion de calor desde la superficie terrestre en horas de la noche. Como el calor es

irradiado, la superficie terrestre pierde energia y el aire cercano al suelo se enfría. A las 6

a.m., este aire frio es atrapado por debajo del aire caliente (debido a que empieza a

calentarse por los rayos solares). Las emisiones producidas durante la noche es atrapado por

esta inversion termica formada, el cual luego desaparece antes del medio dia.

Temperatura del Aire

La temperatura del aire a una altura de 500 m es de 20ºC, y el ambiente es superadiabático; la temperatura del

suelo es de 30ºC y la temperatura a una altura de 1 kilometro es 10ºC. El gradiente ambiental (superadiabático)

es -2.0/km. Si una masa de aire a 500m se mueve hacia arriba adiabáticamente hasta 1 km, Cuál será su

temperatura? según el gradiente adiabático seco del -9,8ºC/km para que la parcela de aire se enfríe a 4,9ºC a

aproximadamente 15ºC.

Sin embargo, la temperatura a 1 kilómetro, no es de 15ºC, pero 10ºC. Nuestra parcela de aire es de 5ºC más

caliente que el aire circundante y seguirá aumentando. En fin, en condiciones subadiabático, una creciente

porción de aire mantiene la derecha en subida. Del mismo modo, si nuestra parcela se desplaza hacia abajo,

digamos, a 250m, la temperatura aumentaría en 2,5ºC a 22,5ºC. La temperatura ambiente en 250m, sin embargo,

es de 25ºC, de modo que nuestra porción de aire es ahora más fría que el aire que rodea y mantiene el

hundimiento. No hay tendencia a estabilizar: las condiciones a favor inestabilidad.

Gradiente de la

Temperatura del Aire Gradiente

Adiabatico Seco

es una temperatura real de radiosondeo en Los Angeles. Tenga en cuenta el principio de una inversión

aproximadamente a 1000 pies que pone un tope efectivo en la ciudad y lleva a cabo la contaminación del aire.

Este tipo de inversión es llamado inversión por subsidencia, causada por una gran masa de aire caliente sobre

una ciudad.

el tipo más común es la inversión por radiación, causado por la radiación del calor que la tierra emite en la noche.

Como se irradia calor, el aire más cerca a la superficie se enfría, y este aire frío queda atrapado bajo el aire

caliente por encima de ella. La contaminación emitida durante la noceh quede atrapado debajo de la tapa de

inversión.

La estabilidad atmosférica puede a menudo ser reconocida por las formas de penachos emitidos de las

chimeneas como se ve 18-13. Condiciones de estabilidad Neutral generalmente

Gradiente de la

Temperatura del Aire

Gradiente

Adiabatico Seco

Gradiente de la temperatura del Aire en un dia de cielo despejado, donde se aprecia

la formacion de la Inversion Termica por Helada

a)Si la parcela de aire (de la chimenea) es forzado a ascender hasta los 350 m, que temperatura alcanzaría) b) Si la parcela de aire (de la chimenea) es forzado a descender hasta los 50 m que temperatura adquiriría c) Con la temperatura del gas de 20˚C ¿ascenderia o descendería y que nivel alcanzaría? d) Con una temperatura del gas de 24˚C que nivel alcanzaría el gas de la chimenea? e) Cual seria la temperatura mínima necesaria para que pueda vencer la inversión térmica en la condición c)

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ESTABILIDAD ATMOSFERICA

VARIACION DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO CON LA ALTURA

Se tiene el siguiente sondeo de la atmosfera. Indicar que tipo

de pluma se podría esperar si la temperatura de salida de

gases es de 15°C para los siguientes casos:

a) Si la altura de chimenea fuera igual a 40 metros

b) Si la altura de chimenea fuera igual a 120 metros

c) Si la altura de chimenea fuera igual a 240 metros

Elevación (m) Temperatura (°C)

0 20

50 15

100 10

150 15

200 20

250 15

300 20

500 30

PROBLEMA