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La modelización de la contaminación atmosférica urbana

 

26/06/2020

Medio ambiente

En la División de Contaminación Atmosférica del Departamento de Medio Ambiente del CIEMAT se trabaja en la modelización de la contaminación atmosférica, a múltiples escalas, con gran resolución espacial y temporal. La modelización atmosférica a microescala es especialmente útil para simular la contaminación atmosférica en las ciudades llegando a un grado de detalle extraordinario que permite obtener mapas de contaminación dentro de las calles y plazas de la ciudad. Esto tiene múltiples aplicaciones tanto en el I+D como en la gestión medioambiental.

Las ciudades sufren graves problemas medioambientales que afectan directamente a la salud. Quizá el más importante es que se dan con frecuencia episodios de alta contaminación atmosférica, lo que hace que sean también un foco de atención para las autoridades competentes. De la necesidad de estudiar la contaminación atmosférica en entornos urbanos surgen los estudios de modelización, su rigor y detalle permiten saber cómo van a comportarse los contaminantes en días futuros o qué ocurriría -con antelación a su implantación- si se aplican planes de actuación medioambiental, urbanística, industrial, etc que se contemplan para una ciudad determinada.

La interacción de la atmósfera con los edificios, árboles y demás elementos presentes en la morfología de la ciudad produce complejas circulaciones de aire dentro de las calles y plazas. Esto, unido a las emisiones de contaminantes producidas principalmente por el tráfico, genera una distribución muy heterogénea de ellos en las calles, apareciendo zonas de elevada concentración debido a la falta de ventilación. La simulación de la dispersión de contaminantes en dichos entornos es muy compleja, ya que involucra la implementación de fenómenos físicos y químicos de diversa índole (y cuyas escalas temporal y espacial son muy dispares) en los códigos de cálculo, siendo necesaria una alta resolución espacial para estudiarla con el gran de detalle adecuado.

El Grupo de Modelización de la Contaminación Atmosférica (GMCA) del Departamento de Medio Ambiente del CIEMAT, dirigido por Fernando Martín, y en el que se integran investigadores como José Luis Santiago, Esther Rivas y Alberto Martilli, lleva más de quince años simulando la contaminación urbana, modelizándola tanto a nivel meso-escalar (la ciudad en su conjunto) como micro-escalar (barrios y distritos urbanos a muy alta resolución). La innovadora línea de modelización a microescala de la contaminación atmosférica en entornos urbanos ha encontrado en las herramientas de supercomputación del CETA-CIEMAT a su aliado perfecto para disponer de la capacidad de cálculo necesaria con la que abordar el gran reto que supone dar respuesta a los problemas de calidad del aire en las ciudades. Para ello se emplean los modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD, de sus siglas en inglés) que resuelven en detalle el viento y la dispersión de contaminantes alrededor de los edificios, la vegetación y en general todos los obstáculos urbanos en celdas computacionales del orden de un metro. Para poder realizar este tipo de simulaciones son necesarios elevados recursos computacionales ya que los estudios de distritos urbanos requieren dominios de millones de celdas. Por ejemplo, una simulación de la dispersión de contaminantes durante 1 hora en un distrito urbano necesita en torno a medio día de computación, aun ejecutándose en más de 100 procesadores y decenas de Gb (gigabytes) de memoria RAM. Los recursos computacionales del CETA-CIEMAT, con la incorporación del supercomputador Turgalium, permiten estudiar un mayor número de escenarios cada vez más complejos y en un menor intervalo de tiempo. Los trabajos más recientes se realizando en el marco de los proyectos LIFE+RESPIRA financiado por la UE, RETOS-AIRE (RTI2018-099138-B-I00) y EXCLUR (CGL2016-80154-R) financiados por el Ministerio de Ciencia e Innovación y AIRTEC-CM (S2018/EMT-4329) financiado por la Comunidad de Madrid.


Figuras ejemplo de resultados:

Figura 1. Barrio de Plaza de la Cruz (Pamplona) y la simulación de la distribución de NOx en las calles. Rojo indica los valores más altos y azul los más bajos. En verde se muestran los árboles de la zona.

Figura 2. Arriba, distribución de edificios incluyendo el interior de uno de ellos. Abajo a la izquierda, simulación de la distribución de contaminantes fuera y dentro de los edificios con las ventanas abiertas, y a la derecha, con las ventanas cerradas.

Figura 3. Esquema de acoplamiento de modelos haciendo zoom desde la escala continental hasta el dominio de un barrio incluyendo la simulación indoor de un edificio.

Figura 4. Radiación solar directa sobre los edificios de un barrio.

Figura 5. Distribución de temperatura modelizada en un barrio para una posición solar.

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