Modelling the wind flow and dispersion of reactive pollutants in cities at microscale

Resumen

La calidad del aire es, hoy en día, una de las principales preocupaciones ambientales en las ciudades, donde se concentra la mayor parte de la población y se registran niveles altos de contaminación. El NOx (NO y NO2) es uno de los contaminantes más importantes asociados a las emisiones del tráfico rodado. A pesar de las políticas medioambientales adoptadas en los últimos años, los valores límite establecidos para el NO2 por la Unión Europea y la Organización Mundial de la Salud son ampliamente superados en zonas urbanas de Europa. Por este motivo es necesario realizar estudios exhaustivos que ayuden a gestionar y planificar estrategias de mitigación para reducir la contaminación atmosférica urbana. La complejidad de los procesos dinámicos y químicos en zonas urbanas dificulta la evaluación de la calidad del aire, tanto a través de técnicas de monitorización como de modelos numéricos. El gran número de obstáculos existentes en la ciudad y la heterogeneidad espacial de las emisiones da lugar a fuertes gradientes de concentración en la calle. En este sentido, los modelos de mecánica de fluidos (CFD, en inglés) son herramientas potentes capaces de reproducir, con alta resolución espacial, la dispersión de contaminantes en zonas urbanas requiriendo un alto coste computacional. El objetivo de este trabajo es simular a microescala el flujo atmosférico y la dispersión de contaminantes reactivos en escenarios urbanos mediante un modelo CFD. En este estudio se han implementado las reacciones químicas gaseosas más relevantes que se producen en la atmósfera urbana durante el periodo diurno. Para ello, se han tenido en cuenta dos mecanismos químicos: el esquema de reacciones NOx¿O3 y un mecanismo más complejo de reacciones (NOx¿Ox¿VOC) que incluye los compuestos orgánicos volátiles (VOC, en inglés). Esto permite estudiar el impacto que tiene la consideración de las reacciones químicas en las que están involucrados los VOC para simular la dispersión de NO2 a nivel de calle. Las transformaciones químicas dependen, a través de las constantes de reacción, de la radiación solar y la temperatura del aire. No obstante, las emisiones de tráfico o la ventilación de la calle también afectan a la diferencia que resulta de considerar o no reacciones químicas en el modelo. Por este motivo, se estudia el acoplamiento de los procesos dinámicos y químicos en una zona urbana a lo largo del periodo diurno. Los resultados muestran cómo la turbulencia y el equilibrio químico juegan un papel importante en la diferencia de concentración debida a las interacciones químicas. Por último, se presenta una aproximación numérica, basada en el uso de modelos a microescala y mesoescala, que permite obtener mapas detallados de concentración para largos periodos de tiempo. De esta manera, se amplía el alcance del uso de modelos CFD para evaluar la calidad del aire en las ciudades. Este sistema consiste en utilizar los resultados de la simulación a mesoescala para proporcionar la variabilidad temporal de las condiciones atmosféricas a la simulación de microescala, y así obtener en detalle la distribución representativa de los contaminantes en cualquier parte de la ciudad. Este trabajo contribuye a comprender el comportamiento de los procesos químicos dentro de la ciudad teniendo en cuenta la variabilidad temporal y espacial de las condiciones atmosféricas. Los resultados obtenidos muestran la importancia de las transformaciones químicas al modelizar la dispersión del NO2 a nivel de calle. El alto coste computacional de modelizar las reacciones químicas acota el uso del modelo CFD a periodos cortos de tiempo, siendo estas simulaciones de gran utilidad para analizar las condiciones en las que se producen superaciones de los valores límites horarios. También se ha desarrollado una aproximación multiescalar de modelos que proporciona mapas fiables de concentración de contaminantes para evaluar largos periodos de tiempo, necesarios para la gestión de calidad del aire urbano