Curso de orientación para el control de la contaminación del aire

Las características físicas de la superficie terrestre se denominan rasgos del terreno o topografía. Los rasgos topográficos no sólo influyen en el calentamiento de la Tierra y del aire que la rodea sino también en el flujo del aire. Los rasgos del terreno, como se podría esperar, afectan sobre todo el flujo del aire relativamente cercano a la superficie terrestre. Como se indica en la figura 3-18, estos rasgos se pueden agrupar en cuatro categorías: plano, montaña/valle, tierra/agua y áreas urbanas.

Los rasgos topográficos afectan la atmósfera de dos maneras, como se muestra en la figura 3-19: térmicamente (a través del calor) y geométricamente (o mecánicamente). La turbulencia térmica se produce por el calentamiento diferencial. Los objetos emiten calor en tasas distintas. Por ejemplo, un área con pasto no tendrá capacidad de absorción y, en consecuencia, liberará tanto calor como una playa de estacionamiento asfaltada. La turbulencia mecánica es causada por el viento que fluye sobre objetos de tamaños y formas diferentes. Por ejemplo, el flujo del viento que rodea un edificio será diferente del de un maizal.

Si bien una pequeña parte de la superficie terrestre es completamente plana, algunas áreas se consideran como planas para propósitos topográficos. En esta categoría están incluidos los océanos, aunque tienen una textura de superficie, y los rasgos ligeramente ondulantes del terreno (figura 3-20)

La turbulencia del viento sobre un terreno plano está limitada a la cantidad de accidentes de la superficie, ya sean naturales o hechos por el hombre. El cuadro 3-2 presenta una lista de los elementos superficiales, desde los rasgos de superficies lisas con poca influencia friccional hasta los rasgos accidentados con amplia influencia friccional.

Cuadro 3-2. Ejemplos de diferentes superficies accidentadas
(en orden de muy lisas a muy accidentadas)

Llanura arcillosa, hielo
Mar en calma
Arena
Planicie, cubierta de nieve
Césped cortado
Césped bajo, estepa
Terreno plano y en barbecho
Césped alto
Bosques con árboles bajos
Bosques con árboles altos
Afueras de la ciudad
Ciudad

Estos rasgos inducen un efecto friccional en la velocidad del viento y producen el conocido perfil del viento con altura (figura 3-21). La figura 3-21 indica que la velocidad del viento aumenta con la altitud en cada uno de los tres tipos de terrenos representados. Las áreas urbanas con construcciones densas y edificios altos ejercen una fuerza friccional grande sobre el viento haciendo que disminuya, cambie de dirección y se haga más turbulento. Por consiguiente, los vientos de gradiente (esto es, los que no se ven afectados por la fricción) alcanzan mayores altitudes cuando se producen sobre áreas urbanas que cuando lo hacen sobre el nivel del suelo.

Figura 3-21. Ejemplos de la variación del viento según la altura sobre superficies con diferentes rasgos topográficos (las figuras son porcentajes de los vientos de gradiente).

La turbulencia térmica sobre un terreno plano se debe a rasgos naturales o producidos por el hombre. Por ejemplo, el agua no se calienta tan rápidamente durante el día pero el concreto lo hace excepcionalmente bien. Durante la noche, el concreto libera grandes cantidades de calor al aire, el agua no. El aire se eleva sobre los objetos calentados en cantidades variables (figura 3-22). Como se observó en la lección 2, el fenómeno que se presenta cuando el aire se eleva se llama convección.

El segundo tipo es el terreno con montañas y valles. Esta combinación, representada en la figura 3-23, también se denomina terreno complejo.

Los investigadores de la contaminación del aire concuerdan en que la dispersión atmosférica en los terrenos complejos puede ser muy diferente y mucho más complicada que en los terrenos planos. Los efectos del terreno complejo en la dispersión atmosférica han sido investigados en modelos de fluidos y por medio de experimentos de campo.

La turbulencia mecánica en terrenos con montañas y valles siempre depende del tamaño, la forma y la orientación de los rasgos. Las numerosas combinaciones de terrenos montañosos o con valles incluyen una sola montaña sobre un terreno plano, un valle profundo entre montañas, un valle en terreno plano o una cordillera. Sin embargo, como se indica en la figura 3-24, el aire tiende a elevarse sobre un obstáculo que se presenta en su camino y una parte trata de abrirse paso por los diferentes lados. Si una inversión de temperatura elevada (aire cálido sobre aire frío) cubre la mayor elevación, entonces el aire tratará de encontrar su camino por los costados de la montaña. Cuando el flujo de aire es bloqueado, se produce un entrampamiento o recirculación del aire. Durante la noche, los cerros y las montañas producen flujos de vientos descendientes porque el aire es más frío en grandes elevaciones. Por lo general, los vientos descendientes son ligeros. Sin embargo, bajo condiciones correctas, se pueden producir vientos más rápidos.

La turbulencia térmica en un terreno con montañas y valles también guarda relación con el tamaño, la forma y la orientación de los rasgos. Si bien no es posible explicar todas las combinaciones, se pueden presentar algunas generalidades. Las montañas y los valles se calientan de manera desigual debido al movimiento del sol en el cielo (figura 3-25). Por la mañana, el sol calienta e ilumina un lado de una montaña o valle. El otro lado todavía esta oscuro y frío. El aire se eleva sobre el lado iluminado y desciende sobre el oscuro. Al mediodía, "cae" sobre ambos lados y los calienta. Al final de la tarde, la situación es similar a la de la mañana. Después de la oscuridad, a medida que el aire se enfría debido al enfriamiento radial, el aire desciende al valle desde las colinas más altas.

La figura 3-26 muestra vientos descendentes y ascendentes que se producen durante el día y la noche, respectivamente. En el caso de un valle, los vientos descendentes se pueden producir en las pendientes opuestas del valle, lo que determina que el aire frío y denso se acumule o deposite en el suelo. Este aire frío se puede descender hacia el valle y causar el movimiento del aire debido al drenaje de aire frío. Además, como el aire frío desciende al suelo del valle, el aire en altura se vuelve más cálido. Esto da lugar a una inversión de temperatura que restringe el transporte vertical de los contaminantes del aire (fenómeno discutido en la lección 4).

Figure 3-25. Turbulencia térmica en el valle (el aire se eleva cuando la Tierra se ilumina)

Figura 3-26. Variaciones diurnas en el flujo del viento en montañas y valles debido al calentamiento solar.

Además, los vientos de un valle están encadenados debido a su forma. Los vientos soplan predominantemente hacia la parte superior o hacia la parte baja del valle. Esto puede conducir a concentraciones altas de contaminantes del aire en el suelo debido a que la geometría del valle restringe las variaciones en la dirección del viento.

El otro efecto del calentamiento se debe a las características del suelo. Las áreas cubiertas por árboles se calentarán menos que las pendientes rocosas o los terrenos llanos. Para interpretar el efecto producido en un terreno complejo es importante tener un conocimiento detallado de las áreas específicas que lo conforman.

El tercer tipo de terreno es una interfaz de Tierra/agua (figura 3-27). En parte debido a la comodidad, muchas ciudades grandes están ubicadas cerca de cuerpos de agua. La tierra y el agua no sólo presentan superficies con accidentes de diferentes características, sino también distintas propiedades de calentamiento. Puede ser muy difícil predecir el flujo del aire y, por lo tanto, la dispersión y el transporte de las plumas en este caso.

Las propiedades térmicas de la Tierra y el agua son radicalmente diferentes. La tierra y los objetos que se encuentran sobre ella se calentarán y enfriarán rápidamente; el agua lo hace lentamente. Las temperaturas del agua no varían mucho de un día a otro o de una semana a otra. Experimentan cambios estacionales, con un retraso máximo de 60 días. Por ejemplo, las temperaturas oceánicas más cálidas se producen desde fines del verano hasta inicios del otoño y las más frías, desde fines del invierno hasta inicios de la primavera.

Mientras el sol brilla sobre la interfaz Tierra/agua, la radiación solar penetra varios pies a través del agua. Por otro lado, la radiación solar que cae sobre la Tierra sólo calentará las primeras pulgadas. Además, mientras el sol brilla sobre la superficie acuática, se produce la evaporación y cierto calentamiento. La capa delgada del agua cercana al aire se enfría debido a la evaporación y se mezcla con la pequeña capa superficial calentada. Esta mezcla mantiene la temperatura del agua relativamente constante. Por otro lado, las superficies de la Tierra se calientan rápidamente, lo que hace que el aire adyacente se caliente, se haga menos denso y se eleve. El aire frío sobre el agua es atraído Tierra adentro. Es lo que se conoce como "brisa marina" (figura 3-28). Por la noche, el aire que está sobre la Tierra se enfría rápidamente debido al enfriamiento radial, que hace que la temperatura de la Tierra disminuya más rápidamente que la del cuerpo adyacente de agua. Esto crea un flujo de retorno llamado "brisa terrestre" (figura 3-29). Las velocidades del viento en una brisa terrestre son ligeras; mientras que las velocidades del viento en el mar pueden ser muy aceleradas. La presión diferencial sobre la tierra y el agua causa las brisas marinas. Con estas (durante el día), la presión sobre la Tierra calentada es menor que la presión sobre el agua más fría. En cambio, con las brisas terrestres (durante la noche) ocurre lo contrario.

Los accidentes de la Tierra y el agua también son diferentes (figura 3-30). La superficie del agua es bastante sensible al flujo del aire. A medida que aumenta la velocidad del viento, la superficie del agua se altera y se forman olas. Cuando los vientos fuertes causan olas, la superficie del agua deja de ser tan calma como cuando había viento ligero. Sin embargo, el agua es aún más suave que la mayoría de los rasgos de la Tierra. Debido al cambio del agua -relativamente suave- a la accidentada tierra, el flujo del aire cambia de dirección con la creciente influencia friccional (mayor turbulencia). La magnitud del cambio de dirección depende de la del contraste de accidentes en la superficie.

Las áreas urbanas presentan accidentes adicionales y características térmicas diferentes debido a la presencia de elementos hechos por el hombre. La influencia térmica domina la de los componentes friccionales (figura 3-31). Materiales de construcción como el ladrillo y el concreto absorben y retienen el calor de manera más eficiente que el suelo y la vegetación de las áreas rurales. Cuando el sol se pone, el área urbana continúa irradiando calor desde los edificios, las superficies pavimentadas, etc. El aire que este complejo urbano calienta, asciende y crea un domo sobre la ciudad. Este fenómeno se llama efecto de la isla calórica. La ciudad emite calor durante toda la noche. Recién cuando el área urbana empieza a enfriarse, sale el sol y empieza a calentar el complejo urbano nuevamente. Por lo general, debido al continuo calentamiento, las áreas urbanas nunca recobran condiciones estables.

La turbulencia mecánica sobre las áreas urbanas es muy parecida a la que se produce en un terreno complejo. Los edificios, separados y en conjunto, alteran el flujo del aire: mientras más altos sean, más aire se distribuye. Además, las áreas públicas canalizan y dirigen el flujo de maneras intrincadas. Así como es imposible predecir detalles exactos sobre superficies con montañas y valles, se carece de una descripción exacta del flujo en las áreas urbanas.