Caratterizzare tale comparto significa andare a studiare non solo la qualità dell’aria ma anche quelle che sono le caratterizzazioni di tipo meteoclimatiche che regolano il trasporto delle sostanze emesse. Quest'ultimo aspetto richiede pertanto la modellazione di fenomeni molto complessi in cui la turbolenza atmosferica e le trasformazioni foto chimiche giocano un ruolo fondamentale.
I modelli utilizzano formulazioni matematiche per caratterizzare i processi atmosferici che disperdono una sostanza inquinante emessa da una sorgente. Sulla base delle caratteristiche di emissione e dei fattori meteorologici, un modello di dispersione può essere utilizzato per prevedere le concentrazioni in determinati punti dello spazio. I modelli di dispersione possono avere come base teorica un differente approccio nel considerare lo spostamento delle particelle nello spazio: E’ possibile adottare per lo studio di queste un approccio Euleriano, che fissa un sistema di riferimento fisso entro cui le posizioni delle particelle vengono individuate. L’altro approccio, quello Lagrangiano, segue la particella nel suo movimento, e più nello specifico individua la sua presenza in un determinato punto utilizzando un approccio probabilistico. Entrambi gli approcci, tuttavia, non sono integralmente adottabili senza apportare delle semplificazioni.  Un primo step per affrontare la modellazione del fenomeno è descrivere la forma con cui un'emissione si disperde in atmosfera: il puff, ovvero un singolo sbuffo di gas emesso, e il plume, il classico pennacchio delle ciminiere. [09]
In molti paesi, tra cui l’Italia, si fa riferimento ai modelli dell’EPA per i propri studi interni. Per quanto riguarda i modelli per la qualità dell’aria, l’EPA suggerisce diverse classi di modelli, in base alla finalità dell’analisi, e sono i seguenti:
- Aermod: modello stazionario di tipo plume che descrive la dispersione in atmosfera basata sul concetto di strato limite planetario, può simulare l’effetto di sorgenti sia al suolo che in quota e su terreni semplici o complessi;
- Calpuff: modello gaussiano non stazionario di tipo puff che simula il trasporto, la trasformazione e i processi di rimozione degli inquinanti al variare delle variabili spaziali e temporali. Può inoltre simulare il trasporto a lungo raggio degli inquinanti e i terreni complessi;
- Blp: è un modello di dispersione gaussiano di tipo plume, progettato per gestire i problemi associati ad impianti industriali nei quali sono importanti fenomeni di effetto scia da parte di edifici (downwash);
- Caline3: è un modello di dispersione gaussiano di tipo stazionario, progettato per calcolare la concentrazione di inquinamento atmosferico in località sottovento rispetto a tratti stradali e che si trovino su terreni non molto complessi.