La modelación de la calidad del aire es una herramienta matemática y computacional que debe ser
aplicada para la toma de decisiones de carácter regulatorio, la modelación puede dar respuesta a
las siguientes necesidades:
- Identificar las áreas de mayor impacto ambiental.
- Identificar y evaluar la efectividad de políticas de control de la contaminación
- Selección de los sitios más adecuados para ubicar estaciones de monitoreo de calidad del aire.
- Predecir fenómenos meteorológicos y episodios de contaminación.
- Identificar fuentes de emisión
- Determinación de factores de emisión
La dinámica atmosférica y la dispersión de los contaminantes se describen por medio de
ecuaciones. Estas ecuaciones se caracterizan por no tener una solución analítica, por tanto, se
aplican métodos numéricos para su resolución.
Ecuaciones que describen los fenómenos físicos que ocurren en la dispersión de contaminantes
atmosféricos (Kuo, 1996)
Modelos de calidad del aire
Los modelos de calidad del aire son entonces aproximaciones numéricas que describen la
dinámica atmosférica. Existe una amplia variedad de modelos, los cuales son clasificados bajo
diversos criterios.
Criterios de clasificación de los modelos de calidad del aire (Aggarwal, Haritash, & Kansal, 2014)
Bajo los criterios de clasificación, se encuentran los modelos: gaussiano, físicos, estadísticos, numéricos y fotoquímicos.
Alternativas de modelación de la calidad del aire. (ITESM & MAVDT, 2008)
Los modelos mayormente utilizados son los modelos gaussianos. Estos modelos son determinísticos y aproximan la dispersión de los contaminantes a una curva gaussianaPrincipio fundamental sobre el cual operan los modelos de calidad del aire tipo gaussiano. Esta dispersión obedece a La Ecuación 2.
Principio fundamental sobre el cual operan los modelos de calidad del aire tipo gaussiano
Los supuestos bajo los cuales trabajan los modelos gaussianos son:
- No hay reacciones químicas.
- El transporte de masa por difusión es despreciable comparado con el transporte de masa mecánico generado por acción del viento.
- Existen condiciones de estado estable en la emisión de contaminantes y en las condiciones meteorológicas.
- No hay barreras físicas para la dispersión de contaminantes vientos abajo
- Son constantes en el tiempo, pero son función de la distancia.
- No hay mecanismos de deposición o desaparición de contaminantes por defecto
- Los contaminantes se reflejan del piso. Esto se modela como una fuente espejo por debajo del piso.
De acuerdo con la (EPA, 2005), dependiendo del nivel de sofisticación de la modelación se realiza la selección de los modelos. Se definen dos niveles de sofisticación, el primero de ellos consiste en una técnica que de manera simple evalúa el peor escenario meteorológico para identificar las concentraciones máximas posibles, esta técnica es llamada screnning o modelos screnning. Si las concentraciones determinadas por la técnica screnning exceden las concentraciones de las normas de calidad del aire, se pasa al siguiente nivel de sofisticación en donde se debe hacer uso de modelos de calidad del aire refinados. Para tomar medidas de carácter regulatorio se sugiere hacer uso de modelos refinados.
Los criterios para seleccionar los modelos de calidad del aire son los siguientes: tipo de aplicación, topografía del área de estudio, escala, contaminantes a modelar, capacidades y competencias de personal especializado y recurso computacional.
En la siguiente tabla se presentan los modelos que son recomendados por diferentes organismos internacionales. Se observa que el modelo de calidad del aire AERMOD, el cual es un modelo gaussiano, es el frecuentemente sugerido para realizar modelaciones refinadas, incluso para modelar fuentes móviles o fenómenos de fumigación costera.
Modelos recomendados por diversas guías de modelación. Modificado de (Huertas, Huertas, & Maldonado, 2009)
Los modelos de calidad del aire pueden ser estructurados de acuerdo a dos tipos de modelaciones: offline u online.
La forma más frecuente como se realiza la modelación de la calidad del aire es offline, donde la meteorología y la química atmosférica son tratadas por separado dentro del modelo de calidad del aire. Sin embargo, actualmente es reconocido que las especies químicas, particularmente aquellas asociadas a la formación de aerosoles, pueden afectar el clima cambiando el balance energético terrestre e incidiendo en la formación de nubes (Grell & Baklanov, 2011). Lo anterior requiere de la integración de sistemas meteorológicos con mecanismos donde se incluye la química atmosférica para producir un sistema unificado de modelación –modelación online- que permita realizar predicciones en concentraciones de contaminantes de manera más precisa y exacta.
Los trabajos reportados en la literatura en su gran mayoría presentan modelaciones tipo offline debido a su bajo costos computacional y facilidad de operación.
Comparación entre modelación tipo offline y online (Byun, 1999; Zhang, 2008)
Lineamientos para desarrollar la modelación de la calidad del aire en Cartagena
La modelación de la calidad el aire se convierte en una herramienta fundamental para la evaluación de políticas públicas que tienen como propósito la mejora de la calidad del aire de la ciudad. Esta herramienta puede ser aplicada previa a la aplicación de las medidas de control, permitiendo identificar su eficacia y reduciendo costos de aplicación de medidas que puedan llegar a no tener un efecto significado en la mejora de la calidad del aire de la ciudad. Adicionalmente, la modelación de la calidad del aire permite predecir efectos sobre la salud, acoplada a otras herramientas computacionales.
Metodología general para llevar a cabo la modelación de la calidad del aire
Los modelos de calidad del aire requieren como información de entrada, lo datos meteorológicos tanto a nivel de la superficie, la cual es reportada por las estaciones meteorológicas en Tierra, como información del perfil vertical de las variables meteorológicas. En este sentido Cartagena cuenta con información meteorológica a nivel de superficie, gracias a la presencia de la red de monitoreo, al igual que con datos de concentración de contaminantes atmosféricos, información con la cual es posible validar los resultados del modelo de calidad aire. Sin embargo, se sugiere iniciar con radiosondeos, por medio de globos meteorológicos o radiosondas, que permita conocer la información meteorológica del perfil vertical de la atmósfera.
De acuerdo con las normas internacionales y la normatividad colombiana y las característica geográficas y meteorológicas de Cartagena, el modelo que se sugiere sea implementado debe ser un modelo gaussiano. Se recomienda el modelo AERMOD, el cual es recomendado para tomar medidas de carácter regulatorio (EPA, 2015c). Para la ejecución de los modelos gaussianos se debe contar con información meteorológica de mínimo un año, con una resolución mínima de una hora y contar con un inventario de emisiones de todas las fuentes.
La ciudad debe centrar sus esfuerzos en la construcción de inventarios de emisiones para todas las fuentes, particularmente las fuentes fijas y las fuentes móviles. Es bien conocido que en el proceso de modelación son las emisiones la principal fuente de incertidumbre. La construcción de inventarios de fuentes fijas implica desarrollar la metodología descrita en este documento para la obtención de los factores de emisión de estas fuentes. Se hace sumamente importante la existencia de un formato único de emisiones que sea diseñado teniendo en cuenta la información requerida por los modelos de calidad del aire, tales como velocidades de salida de los gases y temperatura de los mismos. De igual manera para las fuentes móviles, se sugiere aplicar la metodología descrita en este documento para determinar los factores de emisión en vehículos, herramienta útil para contabilizar las emisiones provenientes del transporte. Adicionalmente, se requiere información referente a las fuentes de área y desarrollo de trabajos de investigación que conduzcan a la determinación de factores de emisión para este tipo de fuentes.
Finalmente, para que la ciudad de Cartagena pueda contar con la modelación de la calidad del aire, se requiere de personal calificado formado en las áreas ambientales con especialidades en el uso de modelos de calidad del aire. Esto incluye la ejecución de trabajos de investigación por parte de las instituciones académicas y la priorización de recursos económicos para ser invertidos en el recurso aire.