Monografía 3 ims

Primera Edición, 2015.Monografías sobre Tecnologías IMS. Cuaderno 3.ATM. Modelización del transporte atmosférico en la Estación RN50.

Se tienen los derechos de autor. Sin embargo, se autoriza la reproducción sin fines de lucro (gratuita) con objetivos educativos. Es suficiente con informar a los autores.

Editor: Omayra PérezEnero, 2015.Monográfico Editado en entorno Mac.Programa utilizado para la edición: Adobe InDesign CS5.Mapas Conceptuales elaborados con CmapTools.

ATM. Modelización del transporte at-mosférico en la Estación RN50.

Omayra Pérez y Bernardo Fernández

Estación [email protected]

Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y Tecnología. Universidad de Panamá

CONTENIDO

1. Introducción 72. Antecedentes 113. Elementos de meteorología 254. Los Modelos Semicuantitativos 435. Los Modelos Informáticos 536. Aplicaciones en los Centros Nacionales de Datos 617. Conclusiones 678. Referencias 699. Indice de Figuras 7310. Indice de Tablas 75

7

Monografías sobre Tecnologías IMSCuaderno 3

ATM. Modelización del transporte atmosférico en la Estación RN50.Bernardo Fernández y Omayra Pérez, 2015.

En estos momentos, ante la brumadora cantidad de documentos que encontramos en

la red (como ejemplo, para buscar información sobre el tratado con sus siglas en in-

glés, pusimos la palabra CTBT - Tratado de Prohibición Completa de Ensayos Nuclea-

res, por sus siglas en inglés - en el buscador GOOGLE y arrojó, aproximadamente 2

530 000 resultados y en el buscador EXPLORER salieron 187 000 resultados), es ne-

cesario tener resúmenes eficientes con la información pertinente para los propósitos

que se quieren. Nos preguntamos si una monografía llenaría ese requisito. Algunos

autores definen monografía (“mono”, uno, y “graphos”, estudio) como el estudio sis-

temático, pertinente, corto para no desalentar al lector (de 30 a 50 cuartillas), de tipo

documental, en un tema específico, de forma argumentativa, expositiva, explicativa

o descriptiva. En nuestras estaciones, las monografías jugarán, en ese sentido, un

papel importante, pues se necesitan documentos descriptivos, expositivos que expli-

quen con argumentos resumidos lo esencial. El objetivo de esta monografía es intro-

ducir al lector en los fundamentos de los modelos que permiten encontrar la posible

fuente de los radionucleidos medidos en una o varias estaciones, y los que predicen

el transporte y la dispersión de radionucleidos a partir de una fuente dada. De esa

forma, sirve de punto de apoyo para entender el uso del paquete WEB_GRAPE del

CTBTO (organización del tratado CTBT) o para interpretar los boletines emitidos por

la estación RN50 (estación de radionucleidos número 50), entre otras utilidades. La

Universidad de Panamá adquirió un compromiso de Estado al aceptar servir de sec-

ción técnico-científica del tratado (CTBT). Como entidad de tipo académico debe

cumplir, entre otras cosas, con ciertos compromisos de tipo académico. Uno de ellos

es documentar las actividades que se realizan y depositar la documentación, para que

sea pública, en las bibliotecas. Sin embargo, este tipo de documentación debe ser

1. INTRODUCCIÓN


8


dinámica, es decir, que se debe adaptar, muy a menudo, debido al aprendizaje que se

obtiene sobre el tema y la rapidez con que la tecnología evoluciona. Por ejemplo, el

paquete WEB_GRAPE ya ha cambiado con respecto al original.

11



Se ha señalado mucho, en la literatura, la importancia de conocer el historial de

una región, con los patrones de comportamiento según la distribución espacial y

las variaciones en el tiempo, de las concentraciones de sustancias tanto naturales

como antropogénicas, peligrosas o no, junto a los efectos potenciales sobre el eco-

sistema de la región (eso se denomina, habitualmente, la línea de base o el fondo

del lugar). Esos conocimientos son necesarios para tomar medidas preventivas

permanentes así como para ayudar a la planificación y respuesta en caso de una

emergencia, en la que aparecen cantidades de sustancias que no están en los

patrones o son productos nuevos, no detectados anteriormente. Por ello son im-

portantes, tanto los modelos que permiten conocer el origen de las fuentes de las

sustancias que normalmente o anormalmente se detectan, como los modelos que

predicen el transporte y la dispersión de sustancias a partir de una fuente, así como

los que estiman los efectos potenciales experimentados por la población expuesta

a sustancias anómalas. Todo este conjunto de herramientas pueden constituir una

poderosa arma para estimar las regiones vulnerables y evaluar los potenciales im-

pactos en las poblaciones y sistemas vivos de la región.

El tratado de prohibición completa de ensayos nucleares (TPCEN, por sus siglas

en español) tiene como objetivo principal eliminar del planeta los ensayos nucleares,

hacia la búsqueda de la eliminación de las armas nucleares, tanto en la fabricación

como en la destrucción de las ya existentes. La red IMS (International Monitoring

System, o SIV en español, Sistema Internacional de Vigilancia) del tratado, además

de servir de sistema de vigilancia del cumplimiento del tratado, es un instrumento

idóneo para levantar cierto historial del fondo de la región, así como para servir de

2. ANTECEDENTES


12


apoyo a los sistemas de alerta temprana de prevención de ciertos desastres, como

veremos en esta monografía.

Con una amplia red de sismógrafos, bien distribuidas a través del globo, formada

por 50 estaciones primarias (42 certificadas) y 120 auxiliares (106 certificadas) se

detectan, en tiempo real, las ondas sísmicas que se propagan, por la parte sóli-

da, a través del planeta. De acuerdo al CTBTO, el sistema de vigilancia sísmica

cuenta con 50 estaciones primarias de las cuales 30 estaciones son de arreglos

(1- de pequeña apertura, típicamente circular, apertura < 5 km, optimizado por una

detección regional; 2- de mediana apertura, arreglo en cruz recta, 10 - 25 km aper-

tura, optimizado por una detección tele sísmica, 3- de gran apertura, LASA, 21 sub-

arreglos de 25 sismógrafos cada, apertura de 200 km; NORSAR, 22 sub-arreglos,

con 200 sismógrafos, apertura 100 km) y 19 estaciones de tres componentes (múl-

tiple localización con un sismógrafo vertical de corto periodo y no menos de tres

componentes de sismógrafos de banda ancha) y hay 1 por ser determinada (PS20

lugar y tipo). Además posee 120 estaciones auxiliares (el tratado simplemente se-

ñala que las estaciones sísmicas auxiliares proveerán información (datos) al CEN-

TRO INTERNACIONAL DE DATOS (IDC) sólo cuando estos sean requeridos, por

lo que deben estar inmediatamente disponibles), de las cuales 7 estaciones son

de arreglos y 112 estaciones de tres componentes y 1 por ser determinada (AS39

lugar y tipo). Igual existe una red para detectar las ondas que se propagan por

el agua (hidro-acústica) y por la atmosfera (infrasonido). En la parte superior de

la figura 1 (imagen del CTBTO), se consignan más de 200 000 eventos sísmicos

registrados por la red sísmica del IMS lo que nos brinda un mapa de la sismicidad

natural superficial (parte de arriba) y profunda (parte de abajo). Podemos notar

que el planeta es básicamente sísmico y que la humanidad se acostumbró a los

13



sismos de superficie porque la mayoría de nuestras instalaciones u objetos que

nos rodean, resisten los sismos de superficie. La sismicidad se explica porque

estamos sobre placas tectónicas que se mueven sobre una capa de fluido (rocas)

magmático. Eso se muestra en la figura 1, parte inferior, donde se aprecia un

mapa de sismos más profundos, que dibuja las placas (imagen del CTBTO). Esto

nos dice cómo debemos diseñar y construir las obras, planificar las barriadas, etc.

Igual existe una red para detectar las ondas que se propagan por el agua (hidro-

acústica, que permite la detección de las señales de los eventos a grandes distan-

cias en los océanos sirviéndose de las señales sonoras parecidas a las usadas por

las ballenas) y por la atmósfera (infrasonido). Estas redes permitieron detectar la

serie de tsunamis que crearon desastres a lo largo de las costas de la mayoría de

los países sobre las riveras del océano Índico (Tsunami de Sumatra-Andamán, en

diciembre del año 2004) que mató muchas personas a su paso e inundó una gran

cantidad de pueblos costeros, por no existir los sistemas de alerta temprana, que

posteriormente se han ido instalando con el apoyo del CTBTO.

El régimen de verificación del cumplimiento del Tratado de Prohibición Completa

de Ensayos Nucleares, además de basarse en las tecnologías sismo-acústicas que

localizan el origen de las ondas explosivas o producto de fenómenos violentos (in-

cluye sismos, actividad volcánica, tsunamis, meteoritos, auroras boreales, tormetas,

etc.), incluye la detección de radionucleidos (adheridos a partículas y bajo forma de

gases) que mediante la identificación del tipo de radionucleido, permite categorizar

un evento de tipo nuclear no sólo si corresponde a un ensayo de bomba de fusión

o de fisión (mediante la fusión de los datos sismo-acústicos con los de radionuclei-

dos), sino que también permite conocer acerca de las características de los eventos

detectados (naturaleza, propagación, intensidad y niveles, etc.), o sea la contamina-


14


Fig. 1. Registro de la Sismicidad del planeta Tierra (CTBTO).

ción radiactiva debido a accidentes en centrales nucleares o emisión incontrolada

de radionucleidos por industrias, hospitales, e incluso contrabando de materiales

nucleares, etc. Sin embargo, la detección de radionucleidos por sí sola no permite

una geo-localización de la fuente del evento. Si se trata de un ensayo nuclear, de-

cíamos que se debe fusionar la información de radionucleidos con los datos sismo-

acústicos para la geo-localización del evento, pero para ello es necesario identificar

15



la fuente de emisión de radionucleidos (lugar). Por eso se hace llamado a tecno-

logías suplementarias como por ejemplo ATM (Atmospheric Transport Model)1 la

cual permite tener una mirada del área FOR (Field Of Regard) y señalar una posible

región de la fuente de radiación (PSR, Possible Source Region). Por otro lado esta

misma tecnología ATM, como control de calidad del sistema de vigilancia, permite

observar la cobertura mundial que está dando la red en un momento dado. Ya di-

jimos que ATM es vital para la toma de decisiones, en el escenario de un ensayo

nuclear, pues brinda información para la fusión de datos que se derivan del análisis

de los radionucleidos (backtracking de geo-localización) con la localización precisa

que brindan los eventos sismo-acústicos (y que no permiten discriminar sin ambi-

güedades si se trata de un ensayo nuclear). Pero es bueno decir que ATM también

apoya la modelización de la propagación de las ondas de infrasonido para control

de calidad de la técnica misma y para la localización de eventos del tipo volcánico,

meteoritos, etc., importantes en las actividades de tipo civil, y por el otro, ayuda en

el filtraje de los datos de las estaciones de gases y también guía las campañas en

el caso de una inspección in situ (actividad prevista en el tratado para deslindar la

controversia entre los Estados partes si alguna duda persiste). Por último, también

podemos decir que permite hacer los modelos de pluma, que son predictivos para

tomar medidas preventivas en el caso de la propagación de una nube generada en

------------------------------------------------------------------------------

1 Los modelos de dispersión atmosférica (ATM) son aquellos que simulan matemáticamente cómo los contaminantes del aire se dispersan o difunden en la atmósfera. La propagación se simula utili-zando programas de computadoras que resuelven las ecuaciones diferenciales de difusión, advec-ción y reacción para expresar la propagación usando algoritmos que permiten simular el transporte de los contaminantes. Hay modelos predictivos que se utilizan para estimar o predecir la concen-tración de contaminantes que se recibirán en un sitio dado, luego de ser emitidas de fuentes tales como plantas industriales, el tráfico de vehículos o liberaciones accidentales de productos químicos o radiactivos al aire. Otros modelos permiten, a posteriori (backtracking), buscar el origen de una emisión de contaminantes.


16


un accidente de tipo nuclear o de contaminación radiactiva. En la figura 2 se indica

Fig. 2. Modelización del Transporte Atmosférico.

la ATM y su modelización (http://www.wmo.int/pages/publications/meteoworld/archi-

ve/aug09/imagesSlide1_big.jpg).

Sin embargo, debemos decir que modelar (o modelizar) es un problema comple-

jo, pues, generalmente, la propagación de un fluido es un fenómeno no lineal (de

caos determinista) y para obtener mayor precisión se necesita un gran volumen de

cálculo, pues requiere de un número elevado de celdas en las que se divide el espa-

cio de estudio. Como base de conocimiento, la literatura demuestra cómo muchos

problemas físicos de fluidos pueden ser modelados analizando el balance de tres

fenómenos que experimentan los fluidos: la difusión, la advección y la reacción. El

primero se define como la dispersión de las especies involucradas en el proceso, a

17



lo largo del dominio físico del problema. La advección se relaciona con el transporte

de especies debido a la presencia de campos (vectoriales) de velocidades. En este

caso se tiene una cantidad escalar f como la temperatura o la concentración de un

contaminante, los cuales dependen de la posición r (son, entonces, campos escala-

res), a su vez la posición (vector) depende explícitamente del tiempo r(t), por ello la

variación total (derivada total) del campo escalar f(r) con el tiempo se expresa con el

operador advección de la siguiente manera, df(r)/dt = (df(r)/dr)dr/dt = v f(r) y apare-

ce el operador advección (como producto escalar del vector posición y del operador

nabla) aplicado al campo escalar, el cual es diferente de cero si hay gradiente del

campo escalar f(r) y un campo de velocidades. Por otro lado el operador cambio de

escala se expresa como producto escalar del vector posición con el operador nabla r

y expresa una simetría si v f(r) = n f(r) (ecuación de valores propios), de allí que

la advección expresa una simetría del sistema si el campo posee una simetría de

escala con respecto al tiempo. Y por último, la reacción es el proceso de interacción

mediante la cual se generan (manantiales) o se consumen las especies involucra-

das en el fenómeno (sumideros). Debemos señalar que además de la emisión y el

transporte, algunos contaminantes experimentan transformaciones físico-químicas y

otros cambios de aparición o pérdidas en procesos como: desintegración radiactiva

para radionucleidos, destrucción (o producción) química o fotoquímica (para espe-

cies reactivas), condensación/evaporación y coagulación (para partículas), deposi-

ción en seco en la superficie del suelo, sedimentación gravitacional (para las partí-

culas más grandes), barrido vertical por la lluvia o en el interior de las nubes.

Por otro lado, la escala es un factor importante para escoger el modelo. En primer

lugar, es necesario adaptar el espacio físico en donde el flujo será estudiado. Para

ello, se divide este espacio en un gran número de elementos geométricos llamados


18


celdas de la grilla (o enrejillado), generando consecuentemente una red (algunos au-

tores utilizan el término malla con el mismo significado). La red consiste normalmen-

te en áreas o volúmenes de dos o tres dimensiones respectivamente, de figuras en

forma de triángulos (tetraedros), cuadriláteros (cubos) u otras superficies o volúme-

nes geométricos, de la misma manera como se hace con el método de elementos

finitos utilizados en los estudios de los sólidos. En las mallas cartesianas, los bordes

de las celdas están orientados en paralelo a las coordenadas cartesianas (la vertical

se confunde con el eje Oz), y esto permite que se puedan generar con gran facili-

dad, sin necesidad de los programas generadores clásicos usados en los elementos

finitos. Por ejemplo, para fenómenos a macro-escalas las celdas escogidas por el

CTBTO son de aperturas de 1° para cada ángulo (en coordenadas esféricas, simila-

res a las utilizadas en los mapas terrestres) y una distancia expresada en tiempo de

tres horas (con la componente horizontal de la velocidad del viento obtenida por las

estaciones meteorológicas asociada a la celda, como dirección del sistema) 1º×1º x

3h y usualmente se combina con el método (SRS) Source Receptor Sensivity (Bec-

ker et al., 2001), que es una base de datos meteorológicos acumulada en el tiempo

y que expresa regularidades temporales (simetrías con respecto al tiempo). Para

los casos de búsqueda hacia atrás de una fuente (backtracking), se deben tener los

datos de medición de la manera específica de cómo se propagó el viento (por ejem-

plo, datos suministrados por el sistema mundial de meteorología, WMO (de World

Meteorological Organization), complementados con los datos de las estaciones me-

teorológicas asociadas a las estaciones del SIV), y de esa manera poder simular la

propagación atmosférica (ATM) bastante bien, con un número limitado de estaciones

de muestreo. Los campos meteorológicos (viento, temperatura, altura, capa límite,

la intensidad de la radiación solar) provienen de los modelos meteorológicos a me-

so-escala, o análisis basados en las observaciones. Los campos, que provienen de

19



los datos de salida de estos modelos, se proyectan en la malla de sistema de cóm-

puto o cálculo, por procedimientos de proyección y de interpolación. En los modelos

utilizados se usan los datos OWM de mesoescala. Teniendo en cuenta que se dan

los campos meteorológicos en general, con bastante resolución (a menudo entre

50 y 150 km), su interpolación no puede reconstruir la variabilidad local del campo

meteorológico, por ello se recurre a los datos de las estaciones. En nuestro caso,

para la propagación global, se tienen 80 estaciones de radionucleidos a través del

planeta, que además tienen asociada estaciones de meteorología con un historial

bastante grande y de buena calidad de medición. En esas condiciones se puede

tener, sobre una estación, una mirada hacia atrás FOR2 . Para ello se trabaja con

varias estaciones cercanas, buscando en los FOR las regiones de intersección para

el mismo evento de emisión. De esa manera se genera la posible región de la fuente

(PSR). Esas dos hipótesis, FOR y PSR salen de cálculos, después de realizadas las

mediciones de los parámetros, por lo tanto es backtracking.

La calidad (credibilidad) de los resultados de los cálculos supone que se hace la

------------------------------------------------------------------------------

2 Durante las negociaciones del CTBT, que tuvieron lugar en Ginebra, el concepto de Field of Re-gard (FOR) se definió, inicialmente, como una herramienta para optimizar la red global de manera a que cubriera todo el planeta o al menos el 90%. El FOR indica la posible región de origen del ra-dionucleido detectado en una muestra medida. Se concibió como un campo a dos opciones (binario) en el sentido de que todos los puntos del globo o están dentro o fuera del FOR (global en un periodo dado). Por supuesto, se debe especificar el tiempo o momento en que la muestra se dejó de colectar y de acuerdo al diseño de la red, se establece que el período posterior a ese momento es de 0-14 días, pues se trata de un ensayo nuclear. El concepto FOR se ha desarrollado aún más, después de las negociaciones de Ginebra, bajo el liderazgo del PTS y en cooperación con organismos de me-teorología exteriores al PTS. La nueva concepción está estrechamente relacionada con los campos SRS estándares, que se calculan y además con los datos archivados producto del análisis de las muestras obtenidas de forma rutinaria por la red y por los organismos meteorológicos. Los campos SRS son post-procesados para crear los diferentes FOR. De esta manera los FOR, en realidad, pue-de ser considerados como un conjunto de vistas predefinidas de los campos SRS. Ahora es útil para la fusión de datos con los sismo-acústicos.


20


diferencia entre la demanda en poder de cálculo (hay acumulación de información y

la red meteorológica se mejora día a día) y la rapidez en realizar un cálculo (para dar

la información lo más rápido posible). Se exigen los siguientes requisitos:

1. Para una aplicación global es importante que el detector (se usa Germanio hiper-

puro) sea bien sensible (esta sensibilidad la mide el parámetro llamado MDC, en

inglés y LID en español, que es indicador de la llamada actividad mínima detec-

table) y que se tenga, al mismo tiempo, un bajo fondo radiactivo (background o

línea de base en el detector) con respecto a la sustancia (radionucleido específi-

co) que se está midiendo. El CTBT tomó como patrón el Ba-140 poniendo como

requisito un MDC de 10 (sin partículas) a 30 (con partículas) µBq/m3 (y la mayoría

de las estaciones están por debajo de ese límite, en particular PAP50 tiene un

promedio diario de 4,5 µBq/m3 con partículas) y 1 kT de explosivo mínimo que se

diluye en un volumen de 1020 m3 lo cual garantiza el orden de magnitud detec-

table, para un periodo de 0-14 días.

2. Para los efectos de análisis rápido de la propagación se debe asumir una geome-

tría (puntuales, línea o superficie) de la fuente de la radiación. Las explosiones

nucleares son puntuales e isotrópicas. Por ello se asume esa geometría.

3. La resolución del campo SRS y la resolución del campo de la propagación del

viento, durante el diagnóstico, deben ser del mismo orden de magnitud. Esto

lo debe controlar quien realice la modelación, escogiendo los datos adecuados.

4. La calidad de las mediciones del viento y su propagación deben ser buenas para

garantizar a su vez la calidad del SRS. Por ejemplo, la meteorología trata fenó-

menos sensibles a las condiciones iniciales (caos determinista), luego la calidad

de los datos es mejor mientras más cerca (en tiempo) está la previsión de los da-

tos medidos, por su sensibilidad a las condiciones iniciales y la divergencia que

21



eso significa a medida que aumenta el tiempo. Para ello, se firmaron acuerdos

CTBTO-WMO que permiten ingresar los datos meteorológicos, tomados y corre-

gidos en tiempos reales e inmediatos. Las simulaciones en situaciones reales

(por ejemplo el accidente de Fukushima) han obligado a ajustar los acuerdos a

las necesidades.

Entre los acuerdos firmados están:

• El PTS (Secretariado Técnico del CTBTO) notifica de las necesidades a los cen-

tros WMO, directamente enviando mensajes estandarizados por email, los cua-

les indican los datos necesarios (requeridos) a la modelización.

• Los centros WMO envían inmediatamente los datos SRS estandarizados como

se solicitan, en un formato acordado, a más tardar antes de las 24 horas.

• De acuerdo al escenario se pueden solicitar no solo de todo un día sino de días

consecutivos, y en secuencia.

El CTBTO realiza una modelización FOR que adjunta al RRR3 (Informe revisado

de radionucleidos, por sus siglas en inglés). Este FOR sirve de referencia a los Cen-

tros Nacionales de Datos.

------------------------------------------------------------------------------

3 Reviewed Radionuclide Report (RRR) es la revisión del análisis automático de los datos de radio-nucleidos que llegan de las estaciones y a las cuales se les asigna una categorización o nivel (entre 1 y 5) basada en la presencia o ausencia de radionucleidos anómalos según la lista de radionucleidos relevantes establecidos por el CTBTO.


22


Con la conciencia de la importancia del ATM, para la toma de decisiones, el CTB-

TO desarrolló un programa de computadora llamado WEB_GRAPE (Web connec-

ted Graphics Engine) y en corto webgrape, para ser usado por el IDC y que está a la

disposición de los Centros Nacionales de Datos (NDC), después de entrenamiento,

con la finalidad de que puedan procesar y visualizar una modelización de transporte

atmosférico de la nube radiactiva (ATM, Atmospheric Transport Model) el cual se

calcula usando datos provenientes del IMS (International Monitoring System) y de

fuentes externas como la organización mundial de meteorología WMO (Weather

Models) y los del tipo SRS (Source Receptor Sensivity) que se almacenan diaria-

mente en el Centro Internacional de Datos (IDC). El programa permite calcular el

FOR (Field Of Regard) y la posible región de la fuente de contaminación radiactiva

(PSR, Possible Source Region) y otros productos como las versiones (multiple mo-

del), MMFOR, MMPSR incluyendo datos del tipo SRS que han sido colectados por

los centros del WMO. También permite calcular la llamada pluma que en vez de ser

una búsqueda hacia atrás (backtracking) de la fuente, permite proyectar (al futuro)

la propagación de la nube a partir de una fuente (puntual) bajo forma de pluma. Por

ejemplo, permite ensayar la hipótesis de una posible fuente de la contaminación

radiactiva o de un posible ensayo nuclear en un escenario potencial señalado por el

sistema internacional de vigilancia IMS.

El paquete WEB_GRAPE requiere una máquina virtual en ambiente LINUX, sin

embargo, permite casi cualquier plataforma, por ejemplo, con el permiso correspon-

diente se instala en una máquina con Windows. Más adelante daremos una intro-

ducción sobre la dispersión atmosférica, que permita entender el funcionamiento del

software del paquete WEB_GRAPE del CTBTO.

25



3 ELEMENTOS DE METEREOLOGIA

Para la propagación de una nube, en condiciones meteorológicas dadas, se nece-

sita conocer las fuentes emisoras. Las fuentes emisoras generalmente se clasifican

en tres tipos, según su geometría (figura 3).

1. Fuentes emisoras puntuales: son fuentes que pueden aproximarse a emisores

puntuales de gases y partículas a la atmósfera. Están localizadas en una región

que consideramos puntual y están fijas en el tiempo.

2. Líneas emisoras: las emisiones pueden considerarse que provienen de fuentes

con geometría unidimensional cuando, en general, son fuentes puntuales móvi-

les. Se suele promediar la emisión por unidad de longitud.

3. Áreas emisoras: son emisores extendidos en superficies sobre el terreno, como

por ejemplo, minas a cielo abierto.

Fig. 3. Fuentes emisoras, según su geometría.


26


Los transportadores atmosféricos de la radiactividad pueden ser de tres tipos (figura

4):

1. Primarios: su naturaleza y emisión es muy variada. Las sustancias radiactivas

pueden estar adheridas a partículas sólidas o líquidas o simplemente, ser gases. Los

trasportadores primarios se dividen en dos grupos: los aerosoles y los gases.

a. Aerosoles: los aerosoles son partículas sólidas o líquidas que podemos encontrar

suspendidas en el aire. Sus propiedades más importantes son el tamaño aerodiná-

mico de las partículas y su composición química. Para mantenerse suspendidas en

el aire, el tamaño aerodinámico típico de estas partículas suele estar entre uno y diez

micrómetros. Las partículas mayores de 10 micrómetros experimentan los efectos

gravitatorios y sedimentan rápidamente. Las partículas submicrónicas, de tamaño

inferior a un micrón, se comportan en la atmósfera como moléculas gaseosas rea-

lizando movimientos al azar y produciendo choques aleatorios (se suelen asimilar a

Núcleos de Aitken).

b. Gases: los gases radiactivos más típicos son los nobles como Xe y Rn, pero hay

partículas submicrónicas con radionucleidos (por ejemplo, Cesio radiactivo o Iodo

radiactivo) adheridos a estas que se comportan como gases.

2. Secundarios: se producen como consecuencia de las reacciones y transforma-

ciones que experimentan los transportadores primarios en la atmósfera, por medio

de procesos físico-químicos. Los procesos más típicos, y más importantes, son los

fotoquímicos, los de acidificación y los de oxidación.

3. Terciarios: son elementos en forma de trazas y son especialmente peligrosos.

27



Fig.

4. T

rans

port

ador

es a

tmos

féric

os d

e la

radi

activ

idad

.


28


Muchos metales pesados están en esta categoría.

La atmósfera es un gas y la cantidad de partículas que ocupan un volumen determi-

nado dependerá de la presión atmosférica existente y de la temperatura ambiental

(figura 5 y 6). Para tener un índice de referencia, los valores de la concentración

son dados con relación a lo que se denomina condiciones normales, es decir, a una

atmósfera de presión (la presión del aire a nivel del mar que es una atmósfera) y a

20 °C de temperatura.

Los modelos de dispersión atmosférica, figura 7, pueden ser clasificados en tres

categorías que son, en orden creciente de complejidad, los modelos gaussianos,

los modelos de caja y los modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD, por

su denominación en inglés). El tipo de modelo apropiado para un uso particular de-

pende de la magnitud del problema, del nivel de detalle de la información disponible

como entrada al modelo, del nivel necesario de la salida del modelo, de la precisión

requerida y del tiempo disponible de espera para concluir los cálculos del modelo.

Los modelos son numéricos y consisten en un sistema que permite relacionar las

emisiones a la atmósfera de contaminantes, con las mediciones de las concentracio-

nes en el aire de dichos contaminantes, a nivel del suelo. Además, se espera que,

por interpolación, se pueda predecir su valor en cualquier punto, es decir, las con-

centraciones de inmisión. Se hace uso de leyes físicas y químicas que se traducen

en ecuaciones de la mecánica de fluidos, de la termodinámica,...etc. Los modelos

de interés para el CTBTO son aquellos que permiten geo-localizar una explosión

nuclear. Sin embargo, hay aplicaciones civiles y científicas que se derivan de los

resultados de las mediciones del IMS. Por ejemplo, la modelización de la propaga-

ción de una nube radiactiva contaminante producto de un accidente nuclear o bien

29



Fig.

5. C

arac

terís

itcas

gen

eral

es d

e la

atm

ósfe

ra.


30


Fig.

6. E

l est

ado

de la

atm

ósdf

era.

31



Fig.

7. T

rans

port

ador

es a

tmos

féric

os d

e la

radi

activ

idad

.


32


de un ensayo nuclear.

Las emisiones y propagación de contaminantes pueden tener interés en diferentes

escalas (temporales y espaciales):

• Micro-escala: del orden de 1 (típico en el penacho de una chimenea) a menos

de 100 km.

• Meso-escala: del orden de cientos de km (vientos montaña-valle). Según la reso-

lución los anteriores se dividen en regionales de alta resolución (de 10 km a 100

km) y regionales de baja resolución (de más de 100 km).

• Macro-escala: del orden de miles de km (océanos y continentes, todo el globo).

Estas escalas tienen una relación con los tiempos en que transcurren los fenóme-

nos. Esto es debido a la velocidad del viento (la cual juega un papel fundamental en

la difusión, dispersión y advección) que, en circunstancias atmosféricas normales,

cerca de la superficie, generalmente son vientos horizontales y tienen una rapidez

de alrededor de 5 m/s por lo que los efectos meteorológicos de microescala tienen

lugar durante minutos y horas, los de mesoescalas durante horas y días y, finalmen-

te, los de macroescala durante días y semanas. Cuando no es así hay que hacer

una clasificación espacial y otra temporal. Según la temporal hay los fenómenos

climáticos (cuyo horizonte de predicción es de años), los estacionales (de uno a

seis meses), los de medio plazo (de 3 a 10 días) y los de muy corto plazo (de 3 a 24

horas).

Cuando una fuente emite un contaminante a la atmósfera es muy difícil predecir

su trayectoria futura. Esto es debido a que es un proceso complejo (de caos deter-

minista, altamente sensible a las condiciones iniciales) donde intervienen muchos

33



Fig.

8. L

a at

mós

fera

com

o flu

ido.


34


factores diferentes (figura 8). Estos factores los podemos agrupar en dos grandes

bloques diferentes:

• Meteorológicos,

• Según los orígenes de la emisión.

Los meteorológicos generalmente son:

• Velocidad del viento en el punto de salida del contaminante.

• Temperatura.

• La existencia o no de turbulencias atmosféricas.

• Las transformaciones físico-químicas.

• La estabilidad atmosférica.

• La influencia de los efectos topográficos en la meteorología.

Y los modelos meteorológicos utilizados son cinemáticos o también llamados de

diagnóstico y los dinámicos o de pronóstico.

En los textos clásicos de meteorología encontramos la descripción de la atmósfera

terrestre (figura 9). Posee una capa límite atmosférica (PBL para la planetaria y SBL

para la marina, por sus siglas en inglés,

http://revistas.ucm.es/index.php/FITE/article/viewFile/FITE9191110103A/12483).

Esta capa juega un papel importante en la dispersión del contaminante. Se deno-

mina así a la capa de aire más baja de la atmósfera terrestre (entre 500 m y 2 000

m). La PBL está influenciada por los efectos del calor y la rugosidad de la superficie

terrestre (por ello la PBL se divide en convectiva y en nocturna). A groso modo, la

dispersión de los contaminantes atmosféricos, dentro de la capa límite, se produce

por el efecto de las turbulencias atmosféricas (remolinos) que varían fuertemente

35



según la estratificación de la misma. A la capa atmosférica límite le sigue la capa

llamada troposfera que se extiende hasta una altitud de entre 10 y 15 km. En esta

capa normalmente la temperatura disminuye con la altura, con una variación de

aproximadamente -9,8 ºC por km. De este gradiente negativo, vertical de tempera-

turas dependen las corrientes de convección (movimiento de un fluido, en especial

el aire que ascienden, al aumentar su temperatura con respecto al alrededor), en

donde el aire más caliente sube y el frío desciende. Muy cerca de la superficie

terrestre, la rapidez del viento es nula debido a la fricción que produce la rugosidad

de la superficie terrestre. A medida que nos separamos de dicha superficie nos

encontraremos con que la rapidez del viento empieza a aumentar. Esta rapidez

es compleja y se debe a muchos factores diferentes como son el movimiento de la

Tierra, el gradiente vertical de temperaturas, la existencia de remolinos. Dentro de

la capa límite podremos definir una velocidad media y una velocidad variable. Todos

estos son procesos complejos. De noche, cuando se enfría la superficie terrestre,

el gradiente de temperaturas puede invertirse y, por consiguiente, cambian los mo-

vimientos de convección y la velocidad (módulo y dirección) del viento. Podemos

decir que tenemos un campo de velocidades (función, en este caso vectorial, que

depende de la posición).

En la troposfera (tiene alrededor de 15 km de espesor en el Ecuador terrestre y al-

rededor de 7 km en los polos), es donde tienen lugar todos los fenómenos meteoro-

lógicos que influyen en los seres vivos, como los vientos, la lluvia y las nevadas; y la

temperatura ambiente, en esta capa, normalmente disminuye con la altura. La tasa

con la que dicha temperatura disminuye se conoce como gradiente de temperatura.

Este gradiente se mide con un globo sonda, equipado, entre otros instrumentos, con

un termómetro que va haciendo mediciones a medida que asciende el globo en la


36


Fig.

9. C

apas

de

la a

tmós

fera

.

37



Fig. 10. Perfil trazado con una radiosonda de ETESA (2011).

atmósfera.

En la figura 10, mostramos el perfil tomado con un globo-sonda (ETESA) el día 22

de marzo de 2011, en la ciudad de Panamá, posterior al accidente de Fukushima

y que permitió conocer el comportamiento convectivo de la nube radiactiva sobre

Panama.

Dicho gradiente puede variar de un día a otro, o entre el día y la noche y con se-


38


guridad entre estaciones (seca-lluviosa). Los gradientes de temperaturas obtenidos

cada día (medidos con un globo que se tira dos veces al día) se comparan con el

denominado gradiente de temperatura seca adiabática (sin pérdida o ganancia de

calor) llamado gradiente estándar. Bajo condiciones adiabáticas, un volumen de aire

caliente, ascendente, se comportará como un globo que soltamos desde la super-

ficie. Al ascender, el aire de la parcela de aire aumentará su volumen (expansión)

debido a que la presión del aire externo (densidad externa) que le rodea, es infe-

rior. Debido a eso el globo se expande y la expansión del globo finalizará cuando

ambas densidades se igualen. El aire seco del globo (y térmicamente asilado por

la cubierta exterior del globo) que se expande adiabáticamente se enfría (disminuye

su temperatura) a una rapidez de 9,8 °C/km o alrededor de 1 °C/100m. Se dice que

una atmósfera es neutralmente estable cuando el gradiente de temperatura ambien-

tal es igual al gradiente de temperatura seca adiabática. O, lo que es lo mismo, el

gradiente de temperatura ambiente es igual a -1 °C por cada 100 m. En este caso,

un volumen de aire ascendente o descendente ajustará su temperatura automática-

mente a la de los alrededores. Dicho de otra manera, si cambiamos la posición de

dicho volumen a otra nueva posición dentro de la atmósfera, el nuevo volumen de

aire no experimentará ninguna fuerza que lo trate de cambiar de su nueva posición

de equilibrio. El volumen es estable en su nueva posición y es estable en cualquier

otra posición.

Cuando el gradiente de temperatura ambiental de una atmósfera excede (en mó-

dulo) del gradiente de temperatura adiabática, tenemos una atmósfera inestable.

Dicho de otra manera, si la rapidez de enfriamiento en la ascensión es mayor que

1°C/100m la atmósfera es inestable. Si por alguna razón mecánica (una ráfaga de

viento) una masa de aire cerca de la superficie (más caliente) es empujada hacia

39



arriba en una atmósfera inestable, nos encontraremos que la temperatura de dicha

masa no estará ajustada a la que le rodeará a mayor altura (dicha masa ascendente

de aire se ha enfriado a 1 °C/100m). Por lo tanto, y debido a la flotación, dicha masa

de aire seguirá ascendiendo por si sola pues estará más caliente que el alrededor.

En el caso contrario, si una masa de aire frío es empujada mecánicamente hacia

abajo, se encontrará rodeada de aire mucho más caliente por lo que se seguirá hun-

diendo. Esto se conoce como atmósfera inestable con un gradiente de temperaturas

super-adiabático. Habrá corrientes verticales, lo que favorece la dispersión (difusión)

vertical de contaminantes.

Una atmósfera es estable cuando el módulo del gradiente de temperatura ambien-

tal es menor que el gradiente de temperatura seca adiabática. O sea, el gradiente

de temperatura tiene un módulo inferior a 1 °C/100m. Si cambiamos mecánicamente

empujando hacia arriba una parcela de aire (globo), nos encontraremos con que la

parcela estará más fría que los alrededores y se verá forzada a bajar tratando de

volver a su posición original. Si hundimos mecánicamente dicha parcela de aire nos

encontraremos con que la parcela se verá rodeada de aire a una temperatura inferior

por lo que tratará de subir de nuevo. De este modo, la parcela de aire es estable y

se resiste a cambiar su posición hacia arriba o hacia abajo. La atmósfera es estable

con un gradiente de temperatura sub-adiabático. En este caso hay muchas menos

turbulencias.

Una variante importante de la atmósfera estable es la llamada condición de in-

versión estable. En este caso, la temperatura en vez de disminuir, aumenta con la

altura. La parcela de aire se encuentra con aire mucho más caliente al subir, vién-

dose forzada a volver a su posición original. Si se baja, se encontrará rodeada de


40


aire mucho más frío por lo que volverá a subir a su posición original. Esta es una

condición de muy alta estabilidad por lo que los contaminantes se pueden encontrar

atrapados en una misma posición de la atmósfera durante largos periodos de tiem-

po. Las distintas clases de estabilidad dependen de las condiciones meteorológicas,

de allí su importancia. Las condiciones neutrales se suelen dar con cielos nublados.

En este caso, si hubiese dispersión de contaminantes en la atmósfera es debida a

turbulencias mecánicas (vientos) y no a turbulencias de origen térmico.

De esta manera, la atmósfera puede ser inestable, neutra o estable. Este concepto

está relacionado tanto con la turbulencia atmosférica como con el gradiente vertical

de temperatura y las situaciones de inversión térmica. La estabilidad atmosférica

nos proporciona una medida cualitativa de las variaciones de la densidad del aire,

debidas a los cambios de presión y temperatura, y que influyen en determinados

movimientos atmosféricos. Los métodos para establecer las clases de estabilidad

necesitan de instrumentos especiales o de la determinación de parámetros de cierta

complejidad. En tal sentido, resulta de gran utilidad otros procedimientos de predic-

ción más sencillos basados en observaciones y parámetros de fácil medición.

43



4. LOS MODELOS SEMICUANTITATIVOS

Muchas personas utilizan el análisis semi cuantitativo para la determinación de

la estabilidad atmosférica y predecir la dispersión de los contaminantes. La lite-

ratura contempla varias técnicas de este tipo que permiten hacer predicciones.

Esto es importante para desarrollar una heurística de manera que sirva de con-

trol cuando se trabaja con modelos informáticos para modelar la propagación

apoyado con mediciones hechas con instrumentos. Veamos cómo lo plantean.

Pasquill estableció una clasificación de la estabilidad de la atmósfera atendiendo a

las condiciones meteorológicas según los criterios anteriores, en particular la que

produce el gradiente de temperatura ambiental. Estas condiciones dependen de

la velocidad del viento (figura 11), en particular de la componente horizontal de la

velocidad, (para estandarizar la medición, se utiliza un anemómetro a 10 m de la su-

perficie terrestre, pues la rapidez puede depender de la altura), de la radiación solar

Fig. 11. Datos de la estación RN50 indicando, a la izquierda el vec-tor velocidad (12 de marzo de 2014, en función de la hora).


44


Fig. 12. La cantidad de radiación solar visible recibida (día a día du-rante un año, 2013, en función de la hora).

o insolación (figura 12), de si es de día o de noche y de la fracción de cielo nublado

que hay.

Se ha definido un valor K llamado de Pasquill tal que K=1, 2, 3, 4, 5 o 6, otros au-

tores lo representan por las letras A, B, C, D, E y F y con ese factor, dan una evalua-

ción de la estabilidad de la atmósfera (tabla 1).

A: extremadamente inestable,

B: moderadamente inestable,

C: ligeramente inestable,

D: neutral,

E: ligeramente estable, y

F: moderadamente estable

45



Los factores determinantes de las clases de estabilidad son:

• La velocidad del viento.

• La nubosidad.

• El flujo neto de radiación que llega a la Tierra: este afecta al gradiente térmico

vertical, a la presencia o ausencia de actividad convectiva y a la dinámica de la

capa de mezclado.

Los dos primeros parámetros se miden de manera rutinaria en cualquier estación

meteorológica. Sin embargo, cuando la insolación no es medida, se puede calcular

a partir de parámetros astronómicos como el llamado ángulo de visión (solar).

La rapidez del viento normalmente varía con la altura y se suele medir a 10 m de

altura sobre el suelo, en ese caso se le denota u10. Se le atribuye un valor nulo en

la superficie del terreno y va aumentando a medida que nos elevamos hasta estar

fuera de la influencia de los edificios y de la topografía. En una zona rural esta in-

fluencia se encuentra a unos 250 m mientras que en una zona urbana es de unos

500 m, aunque estos valores no están del todo convencionados ya que en la literatu-

ra nos podemos encontrar con valores de las alturas, a partir de las cuales, aparece

la independencia (influencia) de 500 m (rural) y 1 000 m (urbana) respectivamente.

Para determinar la rapidez a cualquier altura uz se utiliza la ley de semejanza de la

potencia, pues se trata de un fenómeno de escala:

Uz = u10 (z/z10)p

Donde z es la altura medida desde la superficie del terreno y z10 = 10 m. El expo-

nente p depende de la clase de estabilidad de la atmósfera y de si nos encontramos


46


en terreno rural o urbano.

Clase de estabilidadP

RURAL URBANOA 0,070 0,150B 0,070 0,150C 0,100 0,200D 0,150 0,250E 0,350 0,300F 0,550 0,300

El estudio de la variación de la dirección del viento en un punto dado, a lo largo

del tiempo, indica que éste fluctúa. Con el aumento de la inestabilidad atmosférica,

aumenta la desviación lateral del viento. Si la atmósfera es altamente inestable se

miden hasta unos 25° de desviación de la velocidad del viento lateralmente. La des-

viación horizontal (de giro) se vería afectada de igual manera llegando a los 15°. Las

dispersiones laterales son deseables ya que dispersan los contaminantes lateral-

mente disminuyendo su concentración en la atmósfera. Las desviaciones verticales

ascendentes son positivas ya que pueden dispersar el contaminante hacia arriba.

Las verticales descendentes no son deseables ya que pueden aproximar el contami-

nante a nivel de la superficie del terreno con los consiguientes perjuicios medioam-

bientales. Conociendo el gradiente de temperatura ambiente y comparándolo con

el gradiente de temperatura adiabático (estándar), podemos estimar la estabilidad

atmosférica y, por consiguiente, la evolución del penacho contaminante emitido por

una chimenea. Las diferentes estabilidades atmosféricas nos determinarán los valo-

res de la desviación lateral y vertical del penacho.

Existe la posibilidad de encontrarnos con discontinuidades en la estabilidad at-

mosféricas, es decir, regiones de la atmósfera con una estabilidad y otras con otra

estabilidad diferente (a otra altura de la anterior). Hay tres posibles discontinuidades

Tabla 1. Inestabilidad.

47



en el gradiente de temperaturas. En las noches de invierno la tierra irradia el calor

adquirido durante el día hacia el exterior con el consiguiente enfriamiento del suelo.

Esto hace que el aire cercano al suelo esté mucho más frío que el aire que se en-

cuentra encima produciéndose una inversión en el gradiente de temperaturas que

normalmente disminuye con la altura. Este fenómeno suele empezar al atardecer y

en regiones cercanas al suelo, extendiéndose hacia arriba a medida que la noche

prospera. Durante el día esas diferencias desaparecen. Al volver a salir el Sol y

calentarse la superficie de la Tierra se vuelve a imponer paulatinamente el orden

ascendente del gradiente de temperaturas.

También hay el caso de inversión térmica por debajo y atmósfera neutra por enci-

ma. En este caso la nube contaminante encuentra resistencia para llegar al suelo y

se desplaza hacia arriba (se le denomina penacho de flotación).

Otro caso es la inversión térmica por arriba y atmósfera neutra por debajo. En este

caso el penacho queda atrapado ya que no puede subir más. Quedará entre el suelo

y el lugar donde comience la inversión térmica.

Inversión térmica por arriba y atmósfera neutra por debajo comenzando la capa de

inversión muy cerca de la boca de la chimenea de emisión. En este caso el penacho

no puede ganar altura debido a la cercanía de la capa de inversión y se proyecta en

su totalidad hacia el suelo. Se conoce como penacho de fumigación. En general,

los penachos se clasifican en penacho de abanico, de fumigación, serpenteante, de

cono, lofting y emtrampado.

Un ejemplo de utilización de la estabilidad está en la tabla de Turner.


48


Durante el día, la categoría de estabilidad es la obtenida de la tabla si la nubosidad

< 5/10, en caso contrario, se modifica el grado de insolación según los siguientes

criterios:

• Si la altura de la base de las nubes < 2 000 m, disminuir dos grados de insolación.

• Si la altura de la base de las nubes > 2 000 m y < 5 000 m, disminuir un grado

de insolación.

• Si la nubosidad = 10/10 y la altura de la base de las nubes está entre 2 000 m y

5 000 m, disminuir dos grados de insolación, si la altura de la base de las nubes

> 5 000 m entonces disminuir sólo uno.

• Si por las modificaciones anteriores, el grado de insolación debiera ser menor

que débil, mantenerlo como débil.

• Los parámetros básicos necesarios para clasificar la estabilidad según este mé-

todo son la rapidez del viento, medida a 10 m sobre el nivel del terreno y la esti-

mación de la insolación diurna – en base al ángulo de elevación (visión) solar α

y la nubosidad (% de cielo cubierto y altura de la base de las nubes)- durante el

día y la nubosidad durante las noches.

Día: Insolación Nubo-sidad10/10

Altura < 2 000 m

Noche

Rapidez del viento

(m/s)

Fuerte

a > 60°

Moderada35° < α < 60°

Ligera 35° < α

Débil15° < α >4/10 < 4/10

0 - 0,77 A A B C D F F0,77-1,80 A B B C D F F1,80-2,83 A B C D D E F2,83-3,34 B B C D D E F3,34-3,86 B B C D D D E3,86-4,89 B C C D D D E4,89-5,40 C C D D D D E5,40-5,92 C C D D D D D

>5,92 C D D D D D D

Tabla 2. Correcciones y simplificación de Glifford - Turner.

49



Una estratificación neutral bajo condiciones de nubosidad densa, cuando el flujo

neto de radiación es cero, ya sea de día o de noche, define una clase de estabilidad

tipo D. Una inversión térmica durante la noche dará lugar a una dispersión pobre

bajo las condiciones de estabilidad E o F, de acuerdo al grado de nubosidad y a la

velocidad (módulo y dirección) del viento. Las clases de estabilidad A, B y C repre-

sentan las condiciones diurnas con cantidades variables de radiación ingresante a

la Tierra. Con bajas rapideces de vientos y fuerte radiación ingresante, estabilidad

tipo A, se produce una intensa actividad convectiva y un fuerte mezclado. Esta últi-

ma genera una capa de mezclado bien desarrollada de altura finita cubierta por una

capa de inversión elevada. Flujos más bajos de radiación ingresante o velocidades

de vientos más altas, se corresponden con una actividad convectiva moderada, tipo

B, o con una actividad ligeramente convectiva, tipo C, o con algunos de los tipos

intermedios A-B, B-C y C-D (tabla 2 y 3).

Rapidez del viento

10 m altura (m/s)

DíaDía o noche Noche

Radiación Solar incidente

Fuerte> 50 cal/

cm2h

Moderada25 < x < 50

cal/cm2h

Leve < 25 cal

cal/cm2hCubierto

Despejado (cubier-to 3/8

o menos)

Semi nubla-do (cubierto 4/8 o más)

< 2 A A-B B D F F2-3 A-B B C D F E3-5 B B-C C D E D5-6 C C-D D D D D>6 C C-D D D D D

En determinados casos un penacho se dispersa siguiendo un terreno con topo-

grafía variada entre las que se incluyen:

• Islas térmicas

• Interfases tierra-mar

Tabla 3. Clases de estabilidad.


50


• Valles y montañas

Las islas térmicas son generalmente producidas por núcleos urbanos que irradian

calor debido a la actividad humana. Provocan corrientes verticales de aire por con-

vección (como el agua que hierve en un caldero, y el vapor sube) que se pueden

imponer a la meteorología local. La estabilidad atmosférica sobre una isla térmica

puede cambiar y afectar de una manera compleja, la forma del penacho.

Los valles tienen su propio microclima. Los penachos de los valles producen que

el viento no pueda fluir tan libremente por lo que afectará a la forma de los mismos.

Las paredes de los valles se calientan durante el día y se enfrían durante la noche,

calentando el aire del valle y dando lugar a corrientes convectivas propias.

Con estas posibilidades de estabilidad de la atmósfera y las variantes topográficas,

los modelos de interés para las estaciones específicas se agrupan en dos tipos:

• Modelo local, para distancias entre 15 y 20 km de la fuente emisora. Especial

para estudiar fenómenos de contaminación en rango corto. En esta zona se

suelen presentar los mayores valores de inmisión para contaminantes primarios

por lo que son de gran interés.

• Modelo episódico.- Se aplican a episodios temporales desde una hora hasta

pocos días (short-term). Estudian la contaminación radiactiva en una situación

episódica.

Ya vimos que para los propósitos de estudio local, incluso semi-cuantitativo, se

51



necesitan también datos meteorológicos. Por ejemplo, el campo de velocidades de

los vientos se calcula conociendo el valor del vector velocidad del viento en un punto

determinado y a una altura determinada del suelo (altura del anemómetro). Mediante

un esquema de interpolación se obtiene valores para el vector velocidad del viento

en el punto de salida del contamínate que es el que determinará la dirección del pe-

nacho contaminante. El viento se supondrá constante (dirección, sentido y valor del

módulo) en todo la celda de aplicación.

53



5. LOS MODELOS INFORMATICOS

El modelo gaussiano es un modelo analítico que integra la ecuación de transporte-

difusión después de asumir ciertas hipótesis. Permite considerar fuentes puntuales,

lineales y áreas superficiales (difusas). Cualquier partícula de menos de 10 µm de diá-

metro puede ser evaluada con este modelo (están incluidos todos los gases contami-

nantes). También considera el efecto turbulento que ejercen los edificios (downwash)

o irregularidades del terreno en la dispersión de los gases (lavado descendente del

penacho). Si las chimeneas tienen menos de 20 m (alto típico de un edificio) el efecto

puede ser importante. Si la chimenea es media (entre 20 m y 100 m) dicho efecto es

relativo y si la chimenea tiene más de 100 m, tiene un papel muy poco relevante.

En cuanto a sus condiciones de aplicabilidad, el modelo gaussiano ha sido usado en

las últimas décadas en muchas partes del mundo para evaluar el impacto de penachos

producidos por chimeneas. El modelo está basado en hipótesis de flujo estacionario

y uniformidad horizontal. Estas dejan de tener validez, cuando las complejidades del

terreno (valles grandes y profundos, montañas altas) provocan circulaciones locales

y mesoescalares. Para los diferentes modelos de dispersión atmosférica, el terreno

sobre el que se mueven los contaminantes puede dividirse en tres tipos diferentes:

TERRENO PLANO Y HOMOGÉNEO: las características del terreno (tipo de suelo,

uso, rugosidad, albedo, humedad,...) son muy homogéneas y, por tanto, su influen-

cia es uniforme en el flujo de la capa límite. En esta situación el sistema se puede

considerar en equilibrio local y, por tanto, los perfiles verticales de las variables me-


54


teorológicas vendrán determinados por las características de la superficie (calor,...)

mediante un modelo simple unidimensional.

TERRENO PLANO Y NO HOMOGÉNEO: el terreno es plano pero hay diferencias

entre diferentes puntos de su superficie. Por ejemplo, un área urbana generará una

temperatura superficial mayor en una determinada región y la creación de capas

límites internas debido a efectos advectivos. Los contaminantes podrían quedar

atrapados en flujos de recirculación y el modelo no funcionaría aquí correctamente.

TERRENO CON COLINAS: funcionaría bien en un terreno ondulado sin grandes

complejidades topográficas.

Para la aplicación, a nivel local (microescala), podemos utilizar, en la estación

RN50, el programa DISPER de Canarina Software Ambiental de modelo gaussiano.

Software que funciona bajo un entorno Microsoft WINDOWS 95 o superior el cual

puede trabajar con dos modelos numéricos diferentes: el ISCST (Industrial Source

Complex Short Term Model) de la Agencia de Protección Medioambiental de EE.UU.

(EPA) con mejoras en el diseño de las fuentes y en la consideración de los efectos

del terreno y el modelo recomendado por la Agencia de Medio Ambiente de la Unión

Europea. Permite evaluar los efectos posibles de una gran cantidad de fuentes de

contaminación atmosférica como son: chimeneas, carreteras y vías de circulación,

líneas férreas, vertederos al aire libre, incendios forestales, movimientos de tierra por

obras, minas a cielo abierto.

• Evalúa de una manera rápida y sencilla la dispersión de cualquier contaminantes

atmosféricos en el aire de menos de 10 micrómetros de diámetro.

55



• Para fuentes contaminantes ya existentes, permite obtener mapas de las concen-

traciones de contaminantes que pueden ser complementarios de las medidas rea-

les de estaciones que toman datos en un único punto del terreno.

• Permite construir de una manera gráfica el escenario sobre el que se va a pro-

ducir la simulación actuando interactivamente con el usuario atendiendo a sus

efectos medioambientales.

• Permite realizar estudios de riesgo de contaminantes ya que puede evaluar la

contaminación bajo condiciones teóricas extremas (excesiva emisión, vientos fi-

jos,...)

• Se pueden usar para predecir la contaminación futura en un determinado lugar

para realizar un estudio de impacto ambiental o bien para evaluar la ya existente

levantando mapas de polución de la zona.

Un modelo libre, para mesoescala, se puede encontrar en http://www2.mmm.ucar.

edu/mm5/mm5-home.html o bien http://www.wrf-model.org/index.php, y en http://

mag.ncep.noaa.gov/.

Para el estudio de mesoescala y a nivel global (macroescala), el movimiento de

un fluido puede ser estudiado desde dos puntos de vista. El lagrangiano que sigue

a cada partícula fluida en su movimiento, de manera que se busca las funciones

de la posición, así como las propiedades de la partícula fluida en cada instante. La

otra forma es asignar a cada punto del espacio y en cada instante, un valor para las

propiedades o magnitudes fluidas sin importar que en ese instante, la partícula fluida


56


ocupa ese volumen diferencial. Se llama el método euleriano, que no está ligado a

las partículas fluidas sino a los puntos del espacio ocupados por el fluido. En esta

descripción el valor de una propiedad en un punto y en un instante determinado

es el de la partícula fluida que ocupa dicho punto en ese instante. La mayoría de

los modelos de transporte atmosféricos de macro y meso escalas usan el método

lagrangiano. Los de trayectorias lagrangianas suponen que el aire se compone de

parcelas infinitesimales que no interactúan entre sí y se desplazan a través de la at-

mósfera por acción de los vientos. Utilizando estos supuestos, los modelos realizan

simulaciones del desplazamiento de estas parcelas a lo largo del tiempo conforman-

do trayectorias.

• Se discretiza la pluma emitida en una secuencia de pequeñas nubes de humo. La

concentración de contaminante se simula mediante un gran número de partículas

que son liberadas dentro del flujo atmosférico.

• Cada puff es empujado y desplazado por las condiciones meteorológicas del mo-

mento. Estas partículas parten desde la localización de las fuentes y a cada una

se le asigna una masa dependiendo de la tasa de emisión de cada fuente.

• Permite simular las trayectorias variables de la pluma al cambiar las condiciones

meteorológicas.

Los modelos de trayectorias lagrangianas consideran a la atmósfera como un con-

junto de partículas infinitesimales que se desplazan por acción de las distintas fuerzas

físicas y que, por no tener masa, puede superponerse que no colisionan.

57



Esencialmente los modelos lagrangianos resuelven la siguiente ecuación diferencial

ordinaria (ecuación de advención, pero de un campo vectorial), donde V es el vector

velocidad y r el vector posición:

dr/dt = V (r(t),t)

Para simplificar, se toma la componente horizontal de la velocidad y se supone que

es un campo escalar. Otra hipótesis simplificadora es que ese campo no depende ex-

plícitamente del tiempo. Los modelos corren sobre una región cubierta por una malla

de datos meteorológicos que se encuentre delimitada por un par de latitudes, un par

de longitudes, una presión mínima y una presión máxima, y la simulación se lleva a

cabo entre un instante inicial y un tiempo final.

No todos estos valores constituyen verdaderos límites: por ejemplo, si la malla está

depositada sobre todo el planeta (latitudes entre 90 °S y 90 °N y longitudes entre 0°

y 360°) sólo la altura sigue conformando verdaderos límites. La ecuación debe resol-

verse numéricamente, a lo largo de sucesivos tiempos de cálculo, para cada partícula

que en el instante inicial se encuentra en un punto de la malla. Es decir, cada partícula

es advectada numéricamente en cada tiempo de cálculo.

En el modelo, cada partícula es representativa de una celda (a la cual pertenece

la correspondiente partícula) y se usan ambos términos indistintamente. Cuando una

celda alcanza el borde de la malla no se puede continuar advectándola, aunque no se

haya llegado al tiempo final de cálculo.

Se debe tomar en cuenta ciertas particularidades de los radionucleidos transpor-


58


tadas. Por ejemplo, se pueden encontrar en diferentes estados: bajo forma de gases

o de aerosoles. Así, el Cs se emite en forma de partículas pero submicrónicas. El

iodo 131 en forma de gas pero reaccionan rápidamente y toma la forma de aerosol.

Muchas veces están en partículas de diferentes tamaños y hay que modelar para di-

ferentes tamaños. Además, el iodo y xenón son dos elementos ligados por su radiac-

tividad. Algunos isótopos del iodo decaen, por desintegración radiactiva, en isótopos

de xenón. El iodo-129 es un producto de fisión de las centrales nucleares. Debido a

su radiactividad otros isótopos del iodo son precursores de los isótopos de xenón que

participan en la verificación de los Ensayos Nucleares del Tratado de Prohibición Com-

pleta de Ensayos Nucleares. El estudio de la solubilidad y difusión de yodo y xenón

permite delimitar mejor la determinación de la proporción de estos gases que llegan a

la atmósfera y permite comprender mejor la propagación de radio xenón atmosférico.

Debemos señalar que los estados parte pueden tener el programa hecho por el CTB-

TO, para ellos hacer los cálculos y verificar los resultados.

61



6. APLICACIONES EN LOS CENTROS NACIONALES DE DATOS

Se puede utilizar documentos como

“NPE2010_Howtoanalyse_ATMcomponent”, publicado por el CTBTO.

Presentamos un ejemplo de Field of Regard dado por el CTBTO.

Las zonas en color crema, figura 13, marcan las regiones alrededor de la estación

en las que, según los cálculos de ATM (FOR), una fuente cercana a la superficie

terrestre, emitió el radionucleido en un período anterior de 3 horas a la suspensión

de la colección de la muestra para cada unos de los 1 , 2, ... 6 días previos.

Fig. 13.FOR tomado del sitio seguro del CTBTO.


62


Además, en otras graficas, se presenta de forma diferencial según los colores. La

intensidad de la fuente (en Bq) se puede calcular dividiendo la concentración de la

actividad del nucleido (medida en la estación, Bq/m3) por el valor numérico según

el color del código. La corrección por el decaimiento se pueden hacer utilizando el

tiempo transcurrido según cada mapa.

Por ejemplo, si la detección es 1 μBq/m3 y el código de color que corresponde al

punto de interés es de color azul (figura 14), una liberación de entre 1 y 10 TBq sería

Fig. 14. Del sitio seguro del CTBTO.

63



necesario en el plazo de 3 horas para explicar la medición.

En la gráfica, figura 15, se presenta la gráfica del primer día pero con mayor reso-

lución.

En el ejemplo, se muestra concentraciones del trazador escogido (en mBq/m3).

La concentración del trazador es función del espacio y del tiempo y cuantifica la

sensibilidad de la medición del trazador en el momento respectivo t0. La sensibili-

dad fuente-receptor (o relación de dilución) S se define como la concentración del

trazador dividido entre la tasa de liberación del trazador (que se supone 1,3 x 1015

Fig. 15. Primer día de la dispersión (tomado del sitio seguro del CTBTO).


64


Bq). Dada la escala aplicada, la pantalla SRS puede interpretarse en términos del

rendimiento requerido en una explosión nuclear. Por ejemplo, el color violeta indica

la zona en la que una explosión nuclear de entre 1 kt y 1/10 kt podría ser detectada

(si fuese Xenón). El color azul indica la zona en la que una décima de kT a 1 T de

explosión sería detectable, y así sucesivamente. Cuanto mayor sea la sensibilidad

entre un posible punto de origen y el receptor, menor es el rendimiento requerido de

una explosión nuclear para que aún sea detectable por la estación. El área colorea-

da se puede denominar, en la vieja nomenclatura del CTBT-ATM, Field of Regard

(FOR). Por otro lado, en apoyo al IMS, se tiene un sistema de modelado de la dis-

persión de partículas usando un receptor-orientado del tipo lagrangiano (LPDM, La-

grangian particle dispersion modelling) que trabaja 24h/7d y que ayuda a determinar

la región de la que los radionucleidos sospechosos detectados en las estaciones de

la red, pueden originarse. Dos sistemas LPDM FLEXPART_6.1 (Stohl et al., 2005)

y HYSPLIT_4.8 (Draxler, 1996) son integrados después de hacer el cálculo usando

dos campos de análisis de viento diferentes que producen sensibilidades fuente-

receptor (SRS) diferentes. Los cálculos se hacen con una frecuencia de tres horas

y con 1º de resolución horizontal (Wotawa et al., 2003).

La presentación del campo SRS, figura 16, se refiere al tiempo de validez en térmi-

nos de tiempo de la suspensión del muestreo y la hora de la liberación del trazador

(en relación al tiempo de terminación de la medición). Por ejemplo, el evento de

emisión se dio hace 48 horas, es decir el día 19 de marzo a las 12:00 UTC.

Se ponen en común los resultados de correlación obtenidos usando los campos

SRS calculadas por los centros de la OMM y el PTS. Se saca un promedio de los

valores de correlación (r2) de todos los puntos que contribuyen en el espacio y el

65



Fig. 16. Campo SRSM para la Estación ISP 34.

Fig. 17. Lugares de liberación más probable.

tiempo y se obtiene una clasificación de los lugares de liberación que son más pro-

bables (figura 17).

67



7. CONCLUSIONES

Gracias al CTBTO nuestra estación (y todas las estaciones de la red del tratado,

así como los centros nacionales de datos de los Estados Parte) tiene acceso a los

programas de modelizaciòn ATM que son muy ùtiles para que el Estado panameño

pueda participar de manera independiente, tal como lo proclama el tratado, en la de-

cisiòn de si un evento sospechoso puede o no ser catalogado de delito nuclear, por

ser un ensayo nuclear prohibido por el tratado. Esto permite al Estado panameño

actuar como lo proclama su tratado de neutralidad. Esta monografìa es el primer

intento de dar informaciòn organizada y rápida, para orientar al estudio de dichos

instrumentos con la finalidad de poder utilizarlos de manera idónea. Además, es

una invitación a los estudiosos para que aprendan a usar el instrumento (software) y

lo apliquen a otro tipo de situación (aplicaciones civiles de los datos del tratado) que

permita conocer el fondo nuestro.

69



1. Draxler, R.R. (1996). Presentations (NCEP models, Hysplit, ETEX results, Te-

rrain Effects, Test Procedures, PC Training Software), WMO Training Seminar

on Environmental Emergency Response, Toulouse, France, 23-27 September.

2. Wotawa, G., et al. (2003). Atmospheric transport modelling in support of CTBT

verification—Overview and basic concepts, Atmos. Environ., 37, 2529 – 2537.

3. Stohl, C. Forster, A. Frank, P. Seibert, and G. Wotawa. (2005). Technical note:

The Lagrangian particle dispersion model FLEXPART version 6.2. Atmos.

Chem. Phys., 5, 2461–2474.

4. Schöppner, Michael. (2012). Analysis of the Global Radioxenon Background with

Atmospheric Transport Modelling for Nuclear Explosion Monitoring, Thesis. Uni-

versity of Roma, the Department of Physic, ROME, ITALY.

5. WMO_TD778_Melbourne. (2010). USERS' INTERPRETATION GUIDELINES

ATMOSPHERIC TRANSPORT MODEL OUTPUTS, RSMC MELBOURNE

6. Canarina. (2001). DISPER 4. Aplicación informática para la simulación por orde-

nador de la contaminación atmosférica. MANUAL DEL USUARIO.

7. Sanchez, Erica Y. (2012). FORMULACIÓN, IMPLEMENTACIÓN Y ACOPLA-

MIENTO DE UN MODELO DE EXPOSICIÓN AGUDA A UNA NUBE TÓXICA

CON MODELOS DE PROPAGACIÓN DE CONTAMINANTES EN AIRE, PARA

SU APLICACIÓN EN EMERGENCIAS QUÍMICAS. Tesis. Universidad de la Pla-

ta, Argentina.

8. Factorovich, Pablo M. Jacovkis, Pablo M. y Canziani, Pablo O. (2006). NUEVOS

MODELOS LAGRANGEANOS PARA EL TRANSPORTE DE CONSTITUYEN-

8. REFERENCIAS


70


TES EN LA ATMÓSFERA. Mecánica Computacional Vol XXV, pp. 2733-2743,

Alberto Cardona, Norberto Nigro, Victorio Sonzogni, Mario Storti. (Eds.) Santa

Fe, Argentina.

9. http://www.atmos-chem-phys.net/5/2461/2005/acp-5-2461-2005.pdf

10. http://www.opanal.org/Articles/cancun/can-Marin.htm

11. http://www.sre.gob.mx/revistadigital/images/stories/numeros/n65/marinb.pdf

12. http://www.30giorni.it/articoli_id_941_l2.htm

13. http://www.un.org/es/disarmament/wmd/nuclear/ctbt.shtml

14. http://www.ciemat.es/MCAportal/portal.do?IDM=111&NM=4

15. https://www.youtube.com/watch?v=SIGSR6UMMOw

16. http://www.bdigital.unal.edu.co/8592/1/300266.2012.pdf

17. http://www.wmo.int/pages/index_es.html

18. http://wwis.inm.es/es/home.html

19. http://www.babelio.com/livres-/meteorologie/13642

20. http://www.astrosurf.com/luxorion/Physique/

21. http://www.astrosurf.com/luxorion/Physique/

22. http://www.astrosurf.com/luxorion/tchernobyl.htm

23. http://www.notre-planete.info/actualites/actu_2833.php

24. http://www.canarina.com/cienciasambientales.htm

73



9. INDICE DE FIGURAS

Fig. 1 Registro de la Sismicidad del planeta Tierra (CTBTO). 14Fig. 2 Modelización del Transporte Atmosférico. 16Fig. 3 Fuentes emisoras, según su geometría. 25Fig. 4 Transportadores atmosféricos de la radiactividad. 27

Fig. 5 Caracterísitcas generales de la atmósfera. 29Fig. 6 El estado de la atmósdfera. 30Fig. 7 Transportadores atmosféricos de la radiactividad. 31Fig. 8 La atmósfera como fluido. 33Fig. 9 Capas de la atmósfera. 36Fig. 10 Perfil trazado con una radiosonda de ETESA (2011). 37Fig. 11 Datos de la estación RN50 indicando, a la izquierda el vector velocidad (12 de

marzo de 2014, en función de la hora).43

Fig. 12 La cantidad de radiación solar visible recibida (día a día durante un año, 2013, en función de la hora).

44

Fig. 13 FOR tomado del sitio seguro del CTBTO. 61Fig. 14 Del sitio seguro del CTBTO. 62Fig. 15 Primer día de la dispersión (tomado del sitio seguro del CTBTO). 63Fig. 16 Campo SRSM para la Estación ISP 34. 65Fig. 17 Lugares de liberación más probable. 65

75



10. INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Inestabilidad. 46Tabla 2 Correcciones y simplificaciones de Glifford - Turner. 48Tabla 3 Clases de inestabilidad 49

Monografía 3 ims

Documents

Transcript of Monografía 3 ims