/ viernes 10 de diciembre de 2021

La ciencia contra la contaminación del aire en medios urbanos: algunas estrategias de mitigación 

Alejandro Alonzo García (CIIT) y María Ortencia González Díaz (CICY)


De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas, más del 50 % de la población mundial vive en medios urbanos y se proyecta que para el año 2050 aumente a un 68 % [1]. Este incremento drástico de la población es ocasionado por la llegada masiva de personas de las diversas provincias y medios rurales que emigra a las grandes ciudades en búsqueda de una mejor calidad de vida.

Como consecuencia de la alta densidad poblacional, grandes volúmenes de gases contaminantes son liberados a la atmósfera, resultado de actividades tanto humanas como aquellas derivadas de procesos industriales. Estas emisiones están compuestas por partículas de diversos orígenes que pueden ser bio-acumulables y provocar problemas cardiovasculares y respiratorios. Sus tamaños abarcan desde 0.001 a 0.01mm [2] y son fácilmente transportables por las corrientes de aire.

Asimismo, debido al gran número de edificios y sus dimensiones, las corrientes naturales de aire capaces de dispersar los contaminantes aéreos se interrumpen y la temperatura del sitio se incrementa. Este efecto, conocido como el calentamiento de tipo isla de calor urbana, es ocasionado, en parte, por el aumento del área superficial sujeta a la radiación solar y al uso de materiales absorbentes propios de la industria de la construcción. A manera ilustrativa, la Fig. 1 muestra la distribución de temperaturas superficiales obtenidas en la región urbana de Beijing, China, durante el año 2005 [3]. A gran escala, todos estos fenómenos se relacionan con el calentamiento global.

Delineación de un área urbana y su mapeo térmico obtenido mediante información satelital (Beijing). A) Mapeo y delimitación urbana. B) Temperaturas superficiales durante un horario diurno. C) Temperaturas durante un horario nocturno. Imagen tomada de Ref. [3].

Para entender el comportamiento de las corrientes contaminantes en medios urbanos se han desarrollado modelos de flujo en los que las estructuras urbanas son modeladas de manera simplificada, mediante geometrías simples que representan edificios de gran altura, o bien, cañones urbanos representativos de grandes avenidas. En la Fig. 2 se muestran los patrones propios a los grandes edificios, y están compuestos de características complejas de flujo, que van desde la formación de vórtices de tipo herradura hasta una estela turbulenta [4].

Características representativas del flujo sobre un edificio de grandes dimensiones. Imagen adaptada de la Ref.[4].

La importancia del estudio de las características aerodinámicas de flujo radica en que permite prever situaciones en las cuales se presenten aceleraciones de flujo indeseadas que pudieran afectar a los peatones, comercios u otros edificios. Por otro lado, se pueden intuir regiones de bajas velocidades, donde la temperatura puede elevarse, o bien, los contaminantes pueden irse acumulando sin dispersarse. Desde el punto de vista de los cañones urbanos, los patrones de flujo se clasifican como: a) el flujo rugoso aislado, b) el flujo con la estela perturbada, y c) el flujo de tipo “rozamiento” (Fig. 3) [5].

Patrones de flujo representativos en cañones urbanos. Imagen adaptada de la Ref.

En las planeaciones urbanas, encontrar una distancia óptima que permita la dispersión de contaminantes y compatible con las características propias de la arquitectura local resulta ser un reto para la comunidad científica. Existen estrategias de mitigación para la contaminación basadas en la planeación y reforestación de áreas verdes que son excelentes, dado que los árboles pueden mitigar de cierta forma el efecto de isla urbana, pero tienen el inconveniente de que una alta acumulación de árboles en regiones de alta velocidad entre edificios puede ocasionar una acumulación indeseada de contaminantes debido a la obstrucción del flujo [2], como es ilustrado en la Fig. 4. En este caso, son deseables la creación de barreras verdes con diferentes alturas, como lo muestra la Fig. 4c.

Esquemas de dispersión de contaminantes en cañones urbanos: a) El contaminante emitido por vehículos recircula; b) el efecto de árboles muy frondosos es acumular los contaminantes, y c) los arbustos en paredes laterales y techos pueden ayudar a dispersar mejor el contaminante. Imagen adaptada de la Ref.

En México, algunas ciudades como Monterrey, Guadalajara, Ciudad de México y sus municipios aledaños presentan serios problemas de contaminación. Como parte de las labores de investigación, el Centro de Investigación e Innovación Tecnológica (CIIT) del Instituto Tecnológico de Nuevo León y el Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY) están buscando estrategias y alternativas que permitan resolver en parte esta problemática: se trata del desarrollo de modelos basados en la dinámica de fluidos computacionales para mejorar el entendimiento de los patrones de flujo y sus capacidades de dispersión en medios urbanos locales y el desarrollo de materiales novedosos de alto desempeño para la separación de gases de efecto invernadero del aire, como el dióxido de carbono (CO2), o el endulzamiento del gas natural mediante la eliminación de CO2, dióxido de azufre (SO2) y dióxido de (NO2), los cuales se consideran los contaminantes atmosféricos que tienen mayor influencia en el calentamiento global, el cambio climático y el incremento en la temperatura global.

Debido a lo anterior, la propuesta de estrategias de mitigación resulta ser un tema de interés, relevancia e impacto social, desde el cual puede aportar la comunidad científica.


Agradecimientos

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por los proyectos CF 139005 y CB 286973.


Referencias

[1] W. urbanization prospects: T. 2018 Revision, “World Urbanization Prospects,” 2018. [Online]. Available: https://population.un.org/wup/Publications/Files/WUP2018-Report.pdf.

[2] K. V. Abhijith et al., “Air pollution abatement performances of green infrastructure in open road and built-up street canyon environments – A review,” Atmos. Environ., vol. 162, pp. 71–86, 2017, doi: 10.1016/j.atmosenv.2017.05.014.

[3] D. Zhou, S. Zhao, L. Zhang, G. Sun, and Y. Liu, “The footprint of urban heat island effect in China,” Sci. Rep., vol. 5, pp. 2–12, 2015, doi: 10.1038/srep11160.

[4] B. Blocken, T. Stathopoulos, J. Carmeliet, and J. L. M. Hensen, “Application of computational fluid dynamics in building performance simulation for the outdoor environment: An overview,” J. Build. Perform. Simul., vol. 4, no. 2, pp. 157–184, 2011, doi: 10.1080/19401493.2010.513740.

[5] T. R. Oke, “Street design and urban canopy layer climate,” Energy Build., vol. 11, no. 1–3, pp. 103–113, 1988, doi: 10.1016/0378-7788(88)90026-6.

Autores

El doctor Alejandro Alonzo García es investigador Cátedra Conacyt en el Tecnológico Nacional de México (ITN), Instituto Tecnológico de Nuevo León (ITNL), Centro de Investigación e Innovación Tecnológica (CIIT) y la doctora María Ortencia González Díaz es investigadora Cátedra Conacyt en el Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. (CICY). Contacto: Julio C. Domínguez Orta, en el correo julio.dominguez@cicy.mx.


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Alejandro Alonzo García (CIIT) y María Ortencia González Díaz (CICY)


De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas, más del 50 % de la población mundial vive en medios urbanos y se proyecta que para el año 2050 aumente a un 68 % [1]. Este incremento drástico de la población es ocasionado por la llegada masiva de personas de las diversas provincias y medios rurales que emigra a las grandes ciudades en búsqueda de una mejor calidad de vida.

Como consecuencia de la alta densidad poblacional, grandes volúmenes de gases contaminantes son liberados a la atmósfera, resultado de actividades tanto humanas como aquellas derivadas de procesos industriales. Estas emisiones están compuestas por partículas de diversos orígenes que pueden ser bio-acumulables y provocar problemas cardiovasculares y respiratorios. Sus tamaños abarcan desde 0.001 a 0.01mm [2] y son fácilmente transportables por las corrientes de aire.

Asimismo, debido al gran número de edificios y sus dimensiones, las corrientes naturales de aire capaces de dispersar los contaminantes aéreos se interrumpen y la temperatura del sitio se incrementa. Este efecto, conocido como el calentamiento de tipo isla de calor urbana, es ocasionado, en parte, por el aumento del área superficial sujeta a la radiación solar y al uso de materiales absorbentes propios de la industria de la construcción. A manera ilustrativa, la Fig. 1 muestra la distribución de temperaturas superficiales obtenidas en la región urbana de Beijing, China, durante el año 2005 [3]. A gran escala, todos estos fenómenos se relacionan con el calentamiento global.

Delineación de un área urbana y su mapeo térmico obtenido mediante información satelital (Beijing). A) Mapeo y delimitación urbana. B) Temperaturas superficiales durante un horario diurno. C) Temperaturas durante un horario nocturno. Imagen tomada de Ref. [3].

Para entender el comportamiento de las corrientes contaminantes en medios urbanos se han desarrollado modelos de flujo en los que las estructuras urbanas son modeladas de manera simplificada, mediante geometrías simples que representan edificios de gran altura, o bien, cañones urbanos representativos de grandes avenidas. En la Fig. 2 se muestran los patrones propios a los grandes edificios, y están compuestos de características complejas de flujo, que van desde la formación de vórtices de tipo herradura hasta una estela turbulenta [4].

Características representativas del flujo sobre un edificio de grandes dimensiones. Imagen adaptada de la Ref.[4].

La importancia del estudio de las características aerodinámicas de flujo radica en que permite prever situaciones en las cuales se presenten aceleraciones de flujo indeseadas que pudieran afectar a los peatones, comercios u otros edificios. Por otro lado, se pueden intuir regiones de bajas velocidades, donde la temperatura puede elevarse, o bien, los contaminantes pueden irse acumulando sin dispersarse. Desde el punto de vista de los cañones urbanos, los patrones de flujo se clasifican como: a) el flujo rugoso aislado, b) el flujo con la estela perturbada, y c) el flujo de tipo “rozamiento” (Fig. 3) [5].

Patrones de flujo representativos en cañones urbanos. Imagen adaptada de la Ref.

En las planeaciones urbanas, encontrar una distancia óptima que permita la dispersión de contaminantes y compatible con las características propias de la arquitectura local resulta ser un reto para la comunidad científica. Existen estrategias de mitigación para la contaminación basadas en la planeación y reforestación de áreas verdes que son excelentes, dado que los árboles pueden mitigar de cierta forma el efecto de isla urbana, pero tienen el inconveniente de que una alta acumulación de árboles en regiones de alta velocidad entre edificios puede ocasionar una acumulación indeseada de contaminantes debido a la obstrucción del flujo [2], como es ilustrado en la Fig. 4. En este caso, son deseables la creación de barreras verdes con diferentes alturas, como lo muestra la Fig. 4c.

Esquemas de dispersión de contaminantes en cañones urbanos: a) El contaminante emitido por vehículos recircula; b) el efecto de árboles muy frondosos es acumular los contaminantes, y c) los arbustos en paredes laterales y techos pueden ayudar a dispersar mejor el contaminante. Imagen adaptada de la Ref.

En México, algunas ciudades como Monterrey, Guadalajara, Ciudad de México y sus municipios aledaños presentan serios problemas de contaminación. Como parte de las labores de investigación, el Centro de Investigación e Innovación Tecnológica (CIIT) del Instituto Tecnológico de Nuevo León y el Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY) están buscando estrategias y alternativas que permitan resolver en parte esta problemática: se trata del desarrollo de modelos basados en la dinámica de fluidos computacionales para mejorar el entendimiento de los patrones de flujo y sus capacidades de dispersión en medios urbanos locales y el desarrollo de materiales novedosos de alto desempeño para la separación de gases de efecto invernadero del aire, como el dióxido de carbono (CO2), o el endulzamiento del gas natural mediante la eliminación de CO2, dióxido de azufre (SO2) y dióxido de (NO2), los cuales se consideran los contaminantes atmosféricos que tienen mayor influencia en el calentamiento global, el cambio climático y el incremento en la temperatura global.

Debido a lo anterior, la propuesta de estrategias de mitigación resulta ser un tema de interés, relevancia e impacto social, desde el cual puede aportar la comunidad científica.


Agradecimientos

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por los proyectos CF 139005 y CB 286973.


Referencias

[1] W. urbanization prospects: T. 2018 Revision, “World Urbanization Prospects,” 2018. [Online]. Available: https://population.un.org/wup/Publications/Files/WUP2018-Report.pdf.

[2] K. V. Abhijith et al., “Air pollution abatement performances of green infrastructure in open road and built-up street canyon environments – A review,” Atmos. Environ., vol. 162, pp. 71–86, 2017, doi: 10.1016/j.atmosenv.2017.05.014.

[3] D. Zhou, S. Zhao, L. Zhang, G. Sun, and Y. Liu, “The footprint of urban heat island effect in China,” Sci. Rep., vol. 5, pp. 2–12, 2015, doi: 10.1038/srep11160.

[4] B. Blocken, T. Stathopoulos, J. Carmeliet, and J. L. M. Hensen, “Application of computational fluid dynamics in building performance simulation for the outdoor environment: An overview,” J. Build. Perform. Simul., vol. 4, no. 2, pp. 157–184, 2011, doi: 10.1080/19401493.2010.513740.

[5] T. R. Oke, “Street design and urban canopy layer climate,” Energy Build., vol. 11, no. 1–3, pp. 103–113, 1988, doi: 10.1016/0378-7788(88)90026-6.

Autores

El doctor Alejandro Alonzo García es investigador Cátedra Conacyt en el Tecnológico Nacional de México (ITN), Instituto Tecnológico de Nuevo León (ITNL), Centro de Investigación e Innovación Tecnológica (CIIT) y la doctora María Ortencia González Díaz es investigadora Cátedra Conacyt en el Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. (CICY). Contacto: Julio C. Domínguez Orta, en el correo julio.dominguez@cicy.mx.


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