Química Atmosférica. La modelización de los procesos químicos de

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Química Atmosférica
La modelización de los procesos químicos de la atmósfera
Alberto Cansado Auría
Servicio de Modelización de la Calidad del Aire
Departamento de Desarrollo y Aplicaciones
La modelización de la composición química de la atmósfera
La composición química de la
atmósfera terrestre está
continuamente en evolución
debido a los cambios en las
emisiones (tanto naturales como
antropogénicas) así como a la
variabilidad climática natural (El
Niño, Variabilidad
estratosférica,etc)
Como en Meteorología, la
modelización numérica es hoy
en día una de las herramientas
mas útiles para la investigación
y las aplicaciones en el campo
de la Física y Química de la
Atmósfera.
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La modelización de la composición química de la atmósfera
Pero, ¿qué es un modelo?
Podemos decir que un modelo es un conjunto de conocimientos o hipótesis sobre la
física y química de la atmósfera, que traducimos a la forma de ecuaciones matemáticas o
a relaciones empíricas y que resolvemos de forma generalmente aproximada con ayuda
de medios de cálculo adecuados.
La historia de la modelización numérica del tiempo es larga. Tiene casi un siglo.
Por contra, los límites impuestos por la falta de potencia de cálculo ha sido la que ha
limitado históricamente su desarrollo.
En el campo de la Física y Química de la Atmósfera, los primeros modelos
tridimensionales surgen hace unos 15-20 años.
La definición dada deja entrever una de las finalidades: La verificación de hipótesis y de
los conocimientos del estado del arte en modelización.
Permiten integrar los conocimientos así como identificar las incertidumbres: ¿En qué
regiones de la atmósfera presentan los modelos las mayores incertidumbre?¿Se debe a la
falta de representación de un fenómeno particular?
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¿Por qué modelizar la composición química?
La historia de la modelización química es indisociable de la modelización numérica del
tiempo.
Comparten los trabajos de pioneros como Bjerkness o Richardson que identifican a
principios del siglo XX las ecuaciones que gobiernan el movimiento de la atmósfera,
incluyendo efectos radiativo debidos al “polvo” (lo que hoy llamamos aerosoles).
Modelizar la atmósfera y su composición es un problema determinista que consiste en
integrar en el tiempo un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales a partir de un
estado inicial que se supone conocido y de los flujos de emisión en superficie y en
altura.
La dificultad procede de varios puntos:
•
•
En general no disponemos de solución analítica a este problema.
Hay que recurrir a métodos numéricos que permitan abordar el problema de forma compatible con los
medios de cálculo disponibles.
La puesta en operación de un modelo químico incluye:
•
•
•
Elección de los dominios horizontal y vertical
La elección de los procesos químicos y físicos que se contemplan y la manera de representarlos
La elección de una estrategia para la integración de las ecuaciones en el tiempo
Y están condicionados por el grado de conocimiento del modelizador de los fenómenos
representados y por los medios de cálculo disponibles.
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¿Por qué modelizar la composición química?
Las preguntas que se hará un modelizador serán del tipo de:
¿Qué procesos son los importantes? ¿Cuáles son los que podemos despreciar en nuestro
modelo?
¿Qué precisión podemos aceptar para nuestra resolución espacial y temporal, dadas las
incertidumbres que tenemos, por ejemplo en las emisiones o en la descripción de procesos?
Además, los cálculos se llevan a cabo en ordenadores que tienen una precisión finita.
Esto conlleva errores de redondeo que dependen del tipo de ordenador que se utilice
para llevar a cabo los cálculos.
La calidad de los modelos debe ser contrastada mediante la comparación con las
observaciones disponibles, de forma que tengamos en cada momento un reflejo de la
bondad de la descripción de la realidad que es el modelo. También es posible utilizar
casos de estudio para este mismo fín.
La finalidad principal de la modelización química es conocer con anticipación suficiente
la previsión de los niveles de polución de forma que sea posible tomar las medidas
puntuales de reducción de emisiones que limite el impacto de los posible episodios
susceptibles de ser peligrosos para la salud de los ciudadanos.
Pero también son herramientas para prever la evolución futura de la composición
química de la atmósfera y de su impacto en el clima y para comparar diferentes
escenarios de emisiones antropogénicas. Aunque sus incertidumbres son elevadas, son la
mejor herramienta de la que disponemos en la actualidad.
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Procesos físico-químicos
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Los forzamientos meteorológicos (radiación, temperatura, viento, humedad y
precipitación)
se supone que son conocidos en todo instante.
Pueden provenir bien de un modelo meteorológico bien de un modelo de
clima.
Las fuentes de especies químicas en la atmósfera son las emisiones.
Humanas
Naturales
Pueden ser fijas o ser dinámicas (ligadas a la meteo: por ejemplo, emisiones de
polvo de zonas áridas relacionadas con el viento, o las emisiones de COVs
ligadas a la temperatura de la superficie y de la radiación solar)
Se emiten, normalmente, a nivel de superficie, aunque también existen
emisiones en altura: aviones, rayos, chimeneas de industrias,...
Estas emisiones pueden introducirse en los modelos 3D en su nivel, siempre
que este sea especificado.
Se unen a las ya existentes en la atmósfera
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Los procesos de transporte son los responsables de la exportación a distancia de las
fuentes de emisión, tanto en la horizontal como en la vertical.
Las concentraciones evolucionan tanto en las escalas resueltas por el modelo
(advección, sedimentación de partículas de aerosol) como por las no resueltas
(convección, difusión turbulenta, ...)
Junto a los procesos de transporte, los gases y partículas se encuentran sometidas a la
fotolisis y las reacciones químicas en fase homogénea o heterogénea.
Además los aerosoles se encuentran sometidos a los procesos microfísicos de
nucleación, condensación, coalescencia, ...
Para finalizar, los sumideros de las especies químicas y de partículas intervienen a su
vez en la columna atmosférica (deposición húmeda en las nubes y bajo ellas para
partículas y gases hidrosolubles) y en la superficie (deposición seca)
Todos estos procesos concurren y hacen evolucionar en el tiempo y en el espacio las
concentraciones de las diferentes especies químicas así como las características de las
partículas, parámetros capaces de ejercer un efecto de retroalimentación en los
forzamientos meteorológicos a través de la ecuación de transferencia radiativa y de la
modificación eventual del ciclo hidrológico.
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Representación explícita y parametrización
Una vez identificados los procesos importantes en la descripción de la evolución química
de la atmósfera tenemos que representar en el modelo.
Algunos procesos permiten una representación directa. Es el caso de la advección. Bajo el
efecto de los vientos a gran escala, los constituyentes químicos y las partículas son
transportados a distancia de sus fuentes de emisión o de producción química.
Otros muchos procesos son demasiado complejos para permitir una representación directa.
En esos casos resulta útil recurrir a las llamadas parametrizaciones.
Las parametrizaciones son representaciones simplificadas que nos miden el efecto medio
sobre las concentraciones a la escala de la rejilla del modelo.
Una de las razones para recurrir a las parametrizaciones son que algunos procesos ocurren
a escalas muy pequeñas de longitud o de tiempo. Es el caso de la turbulencia.
Otro ejemplo son las emisiones de la vegetación. Cada árbol emite COVs no metánicos en
cantidad y composición variables, dependiendo del tipo, estado fenológico y las
condiciones micrometeorológicas de la superficie y de la zona de raíces.
Finalmente, otro ejemplo de parametrización es la que engloba la química. El número de
especies químicas diferentes emitidas en la atmósfera es del orden de 105. Es imposible
tener en cuenta todas ellas. Hay que reagruparlas. Existen varios enfoques: Por similitud
estructural (alcanos, alquenos, hidrocarburos aromáticos, cetonas, aldehídos, ...) o por la
reactividad particular en relación al principal oxidante en la atmósfera, el radical OH. En
este caso la reactividad no es la de una individual sino una ficticia del tipo de reacción.
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Dominio espacial y dimensiones de un modelo
Aparte de los procesos que tiene en cuenta, un modelo también está caracterizado por
sus dimensiones.
Diferentes tipos de modelo pueden ser empleados en modelización.
Desde el 0D donde todas las variables (meteo, concentraciones, ...) sólo dependen de t:
fi(t)
1D, modelos en columna fi(z,t). Resulta útil para estudiar intercambios verticales como
el transporte o la mezcla por convección, aunque su límite está en obviar la advección
horizontal.
2D, modelos bidimensionales fi(y,z,t). Se solían emplear en los años 80 como
aproximación a los modelos globales asumiendo que los campos dependían únicamente
de la latitud y la altura.
3D, modelos tridimensionales fi(x,y,z,t). Son los que tienen en cuenta todas las
dimensiones espaciales y temporales y permiten una descripción precisa de la realidad.
Las resoluciones espaciales y temporales son también parámetros esenciales en el
realismo de un modelo meteorológico y dependen sobre todo de la disponibilidad de
potencia de cálculo.
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Resolución vertical
Esta es la estructura vertical de un
modelo utilizando una coordenada
vertical híbrida η (σ, P).
El espesor varía desde unas pocas
decenas de metros cerca del suelo y
va creciendo conforme crece la
altitud, especialmente a partir de la
tropopausa.
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Resolución vertical
Esto es especialmente importante porque una descripción detallada en la capa límite
planetaria es esencial en los CTMs. Especialmente para los casos estables.
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Estratosfera
(28 niveles)
~ 50 km
PBL (8 niveles)
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Estructuras meteorológicas importantes en la modelización
de la calidad del aire
Posición de dorsales y vaguadas
Localización de ascensos y subsidencias de masas de aire
Posición de bajas presiones y anticiclones en superficie
Estructura vertical de la atmósfera
Inversiones
Estabilidad
Mezcla
Nubosidad y precipitación
Vientos
Escala sinóptica
Mesoescala y vientos locales
Transporte (superficie y altura)
Insolación
Vemos que la meteorología influye de la gran escala hasta mesoscala o menores
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La predicción de la calidad del aire, al igual que ocurre con la predicción
del tiempo, precisa analizar información de diferentes escalas espaciotemporales
Global
Space: 4,000 km – 20,000 km
Time: 1 - 2 weeks
Synoptic
Global
Synoptic
Space: 400 km – 4,000 km
Time: 1 day – 1 week
Mesoscale
Mesoscale
Space: 10 km – 400 km
Time: 1 hr – 1 day
Urban
Urban
Space: 5 km - 50 km
Time: 1 hr - 4 hr
Neighborhood
Neighborhood
Space: 500 m - 5 km
Time: 1 min – 1 hr
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Estructuras meteorológicas importantes en la modelización
de la calidad del aire
Las inversiones son importantes puestos que inhiben la dispersión vertical de la
contaminación atmosférica y, a menudo, la dejan atrapada cerca de la superficie.
Vertical
temperature
profile
Perfil
Vertical
de Temperatura
Inversion
Inversión
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Warm
Cálido
Fresco
Cool
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Implicaciones en la salud de las personas de la calidad del
aire
La niebla “asesina” del 4
al 9 de diciembre de 1952
Los autobuses debían ser
escoltados con linternas a
las 10:30 de la mañana
Causó miles de muertos
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Implicaciones en la salud de las personas de la calidad del aire
Preocupación social creciente por los problemas de contaminación
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aire
Los niveles de fondo de ozono se han multiplicado por
cinco en el último siglo
La esperanza de
vida se reduce por
la exposición a
partículas PM10
(fuente: UE)
(meses)
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aire
Un experimento curioso sobre la interacción de los contaminantes
Una naranja nos servirá
como fuente de COVs
(terpenos)
Formamos ozono haciendo descargas en un
recipiente que se ha llenado con oxígeno
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Al introducir una piel de
naranja (COVs) el ozono
reacciona con ellos y forma
partículas
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aire
La producción fotoquímica de O3 en la
El ozono troposférico
troposfera está ligada a los NOx (NO + NO2)
Para longitudes de onda < 424 nm:
NO2 + hv Æ NO + O
Pero el NO reacciona con O3
NO + O3 Æ NO2
• El ciclo no tiene efecto en la producción de ozono
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O3-NO-NO2 Estado Estacionario
Si consideramos estas dos reacciones que acabamos de ver
NO2 + hv (+O2) Æ NO + O3
NO + O3 Æ NO2
J1
K1
e ignoramos otras reacciones, durante el día se
genera un ciclo muy rápido que genera un estado
estacionario: d[NO2]/dt = Prod - Loss = 0
K1[NO][O3] = J1[NO2]
[NO]/[NO2] = J1/K1[O3]
Pero la presencia de radicales peróxilos
procedente de la combustión de hidrocarburos
perturba el ciclo de NOx y O3 …
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NO + HO2· ≡ NO2 + OH·
NO + RO2· ≡ NO2 + RO·
Y conduce a una PRODUCCIÓN NETA de O3
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aire
El ozono troposférico
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Dependencia del ozono troposférico con la temperatura
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Dependencia del ozono troposférico con la temperatura
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Situación de la modelización de la composición de la
atmósfera en AEMet
Las actividades de modelización de la composición de la calidad del aire son
relativamente recientes.
Sin embargo AEMet tiene una larga experiencia en modelización numérica del tiempo y
en trabajo en equipo con otros SMNs. El personal que ha trabajado en modelización de
la calidad del aire procede del antiguo SMNT.
Los contactos con SMNs de nuestro entorno para establecer un convenio de
colaboración en el campo de la modelización química se iniciaron el pasado año.
Contactos con el líder del grupo de modelización química del CNRM, V.H. Peuch.
En Julio de 2007 dos funcionarios de AEMet nos desplazamos a Toulouse para ver los
requerimientos del modelo MOCAGE de Météo France.
Nos indican los requerimientos que necesitamos del modelo meteorológico:
forzamientos meteorológicos: campos en altura y superficiales. Emisiones
Durante este año se trabaja en la adaptación del grib HIRLAM al formato
ARPEGE/MOCAGE que utiliza MOCAGE como entrada de los forzamientos.
Necesitamos preparar un sistema automatizado que tomando como base los campos
históricos y postprocesados de HIRLAM, cree los forzamientos meteorológicos que
MOCAGE necesita.
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MOCAGE: Modélisation de la Chimie Atmosphérique Grande Echelle
MOCAGE es un modelo de transporte químico (CTM) 3D que proporciona
simulaciones numéricas de las interacciones entre los procesos dinámicos, físicos y
químicos en la atmósfera (troposfera y baja estratosfera)
Resuelve la ecuación de continuidad para cada especie
Es flexible: Es global y permite hasta un máximo de 3 niveles de anidamiento.
Permite asimilación de datos
(3DVAR, 4DVAR)
Estratosfera+troposfera: 47 niveles
híbridos en la vertical (60 en modo
clima)
Esquema químico: RACMOBUS:
REPROBUS en estratosfera
(Lefevre et al, 1994 1998)
RACM en troposfera
(Stockwell et al, 1997)
RACMOBUS tiene en cuenta 119
especies y 372 reacciones
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PRINCIPALES PARAMETRIZACIONES FÍSICAS:
Esquema de advección SL (Rasch & Williamson, 1987)
Esquema de difusión turbulenta de LOUIS (1979)
Esquema de convección TIEDKE o KFB (2001)
Deposición seca de WESELY (1989)
El modelo diferencia entre precipitación convectiva y de gran escala
para el esquema de deposición húmeda de especies hidrosolubles.
EMISIONES:
TNO-GEMS a nivel europeo (Resolución ~7 km)
EMEP
IPCC
FORZAMIENTOS METEOROLOGICOS:
ECMWF a nivel global
HIRLAM-INM:
ONR
HNR
CNN
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PM2.5
NOx
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MOCAGE: Diferencias 3DVAR-4DVAR
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Paréntesis: El agujero de ozono de 2009.
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MOCAGE: Modélisation de la Chimie Atmosphérique
Grande Echelle
PM2.5
En RACM, los COVs se agregan
para formar un total de 16 “model
species” antropogénicas y 3
biogénicas.
La agregación se hace en base a las
magnitudes de las emisiones,
similitud de los grupos funcionales y
su reactividad frente al radical OH.
Se ha añadido una fuente de NOx
causada por rayos en presencia de
convección profunda.
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NOx
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Situación actual de MOCAGE en
AEMET
Actualmente MOCAGE está operativo en AEMET y disponible en la página
web externa.
3 dominios anidados: global a 2º, regional a 0.5º y peninsular a 0.1º
2 pasadas de 00 UTC. Alcance H+24
Emisiones GEMS-TNO (2003)
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Configuración MOCAGE en AEMet
Global
ECMWF
2x2
Atlántico
Europeo
ONR 0.5x0.5
Península
HNR 0.1x0.1
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Esquema Operativo 1ª pasada
Modelo
Forz. Meteo
EMISIONES
D+1 00-24 UTC
ECMWF
FMGLOB22
D+0 12 UTC
D+1 00-24 UTC
MOCAGE
ARPEGE
SMGLOB22
D+0 00 UTC
D+1 00-24 UTC
HIRLAM
FMINML05
SMINML05
D+0 12 UTC
D+1 00-24 UTC
D+1 00-24 UTC
FMINML05
SMINML05
D+1 00-24 UTC
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Esquema Operativo 2ª pasada. Actualización
Modelo
Forz. Meteo
EMISIONES
D+1 00-24 UTC
ECMWF
FMGLOB22
D+1 00 UTC
D+1 00-24 UTC
MOCAGE
ARPEGE
SMGLOB22
D+0 00 UTC
D+1 00-24 UTC
HIRLAM
FMINML05
SMINML05
D+1 00 UTC
D+1 00-24 UTC
D+1 00-24 UTC
FMINML05
SMINML05
D+1 00-24 UTC
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Actividades internacionales relacionadas
La colaboración con Météo France en el campo de la modelización de la composición
química ya está reportando frutos a AEMet en forma de participación en proyectos
europeos.
GEMS, MACC, COST Actions
GEMS (Global and regional Earth-system Monitoring using Satellite and in-situ data) es
un proyecto en el que se juntan expertos de la investigación en los campos de la
composición de la atmósfera y predicción numérica de 32 instituciones europeas para
construir un sistema de seguimiento y predicción para los gases reactivos, los gases de
efecto invernadero y la calidad del aire a nivel regional.
Liderado por el ECMWF. Se ha incluído en el sistema de asimilación observaciones de
satélite de parámetros relacionados.
GEMS proporciona condiciones de contorno para un conjunto de modelos regionales de
transporte químico
AEMet participó como miembro del GEMS Advisory Board.
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Actividades internacionales relacionadas
Durante los años 2009,2010 y 2011 se desarrolló el
proyecto MACC.
AEMET participó como partner del proyecto junto
a muchas otras instituciones de investigación
europeas, entre ellas servicios meteorológicos
nacionales (45 partners)
En modelización de la calidad del aire, el trabajo se
centró en realizar predicciones de calidad del aire
en la cuenca mediterránea occidental a alta
resolución para estudiar si el hecho de ir a
resoluciones elevadas permitía mejorar la calidad
de las predicciones.
Se generó un deliverable con las principales
conclusiones.
Actualmente AEMET sigue participando como
partner de MACC II, continuando esta tarea. (36
partners)
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