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Concentracion y composicion quimica de particulas [PM.sub.10] en el area metropolitana de Costa Rica en 2012.

Introduccion

Los problemas de calidad del aire se originan cuando se encuentran presentes en el sustancias quimicas que no son posibles de encontrar en un estado natural o cuando alguno de los compuestos contenidos en la atmosfera, naturalmente, presenta concentraciones mayores a las esperadas sin la influencia antropogenica (Cheng et al., 2005).

Las particulas suspendidas (PM, por sus siglas en ingles) forman una mezcla compleja de materiales solidos y liquidos suspendidos en el aire, que pueden variar significativamente en tamano, forma y composicion, dependiendo fundamentalmente de su origen. El tamano de las particulas suspendidas varia desde 0,005 hasta 100 micras de diametro aerodinamico; esto es, desde unos cuantos atomos hasta aproximadamente el grosor de un cabello humano. El estudio y la regulacion ambiental de las particulas empezaron centrandose en las particulas suspendidas totales (PST), las cuales poseen diametros aerodinamicos menores de 100 [micron]m.

Posteriormente, se inicio el monitoreo de aquellas particulas con diametros menores de 10 [micron]m ([PM.sub.10]) y, actualmente, se incluyen las particulas finas y ultra finas, es decir, las menores que 2,5 [micron]m ([PM.sub.2,5]) y 1 [micron]m ([PM.sub.1]), respectivamente. En los Estados Unidos la regulacion de las PST empezo en 1971 y se agregaron normas tanto para [PM.sub.10] en 1987 como para [PM.sub.2,5] en 1997 (USEPA, 2010).

Entre mas pequenas sean las particulas pueden penetrar directamente hasta el interior de los pulmones con posibles efectos toxicos, debido a sus inherentes caracteristicas fisicoquimicas. En varios estudios, llevados a cabo en Estados Unidos y en Europa, se ha encontrado que la exposicion prolongada a las particulas finas, provenientes de la combustion, es un factor importante de riesgo ambiental en casos de mortalidad por cancer pulmonar y enfermedades cardiopulmonares (Pope et al., 2006).

Las particulas atmosfericas pueden tener su origen tanto de las emisiones de fuentes naturales como antropogenicas. Cuando las particulas son emitidas de una fuente (natural o antropogenica) directamente a la atmosfera, son llamadas primarias. Ejemplos de esto son las particulas provenientes de las tormentas de polvo, las erupciones volcanicas, la vegetacion, los humos de la quema de bosques y de los pastizales (Marcazzan et al., 2001), la quema de combustibles fosiles, y de las construcciones. Por otra parte, las particulas conocidas como secundarias son las que se forman en la atmosfera a traves de reacciones subsecuentes entre los gases emitidos por las fuentes, tales como:

* Conversion de los gases y la condensacion de los vapores generados a temperaturas altas (por ejemplo, de erupciones volcanicas y de los procesos industriales).

* Reacciones de los gases disueltos, libres o adsorbidos que forman productos de baja presion de vapor (por ejemplo, la oxidacion de S[O.sub.2] a [H.sub.2]S[O.sub.4]), las cuales pueden originar particulas nuevas (Perrino et al., 2009).

* Reacciones de los gases en la superficie de las particulas existentes, para formar productos en la fase condensada (por ejemplo, la reaccion del HN[O.sub.3] gaseoso con particulas de sales del mar para formar el NaN[O.sub.3]), las cuales modifican la composicion quimica de las particulas existentes.

* Reacciones quimicas en la fase acuosa, en nieblas, nubes o particulas de aerosol, por ejemplo la oxidacion del S[O.sub.2] a sulfato (Seinfeld y Pandis, 2006).

La formacion de las particulas secundarias puede ocurrir bajo condiciones de emisiones de los gases de diferentes fuentes y que se han tanto mezclado como envejecido; cuando los contaminantes generados en dias previos se acumulan o son reciclados por los vientos (Viana et al., 2008).

Las particulas transportadas por el aire tienden a desplazarse de diferente manera, de acuerdo con su tamano. Las mas grandes quedan sujetas a la fuerza gravitacional caracterizada por una velocidad de sedimentacion. Las particulas mas pequenas pueden permanecer en suspension por largos periodos (dias o semanas) y ser transportadas cientos de kilometros desde donde fueron formadas (Seinfeld y Pandis, 2006).

Costa Rica, a pesar de ser un pais pequeno, con tan solo 51 100 [km.sup.2], no se escapa de padecer problemas de contaminacion del aire concentrados principalmente en el area metropolitana, la cual cuenta con alrededor de 2 268 248 habitantes, segun los datos del ultimo Censo de Poblacion y Vivienda del INEC, en un area que comprende cerca del 3,8 % del total del territorio. Esta region se caracteriza por ser multinuclear en donde las ciudades de Alajuela, Heredia, San Jose y Cartago son subcentros que se ven paradojicamente fortalecidos por la mala calidad del transporte que dificulta una integracion mas profunda de los mercados de trabajo de la region (INEC, 2011).

En el area metropolitana circula el 75 % de la flota vehicular (aproximadamente 771 600 unidades) y se ubica el 80 % de la industria nacional, hecho que la transforma desde hace varios anos en el centro de mayor jerarquia en el sistema urbano costarricense. Esta concentracion importante de actividades comerciales e industriales en un area geografica tan pequena (caracterizada por un patron de crecimiento urbano historico, de forma radial, el cual genera nuevas areas en adicion a las que ya gravitan sobre las infraestructuras urbanas existentes) ha hecho cada dia mas deficiente la operacion de las ciudades que conforman esta region, lo que causa un deterioro considerable en la calidad del aire que se respira.

El objetivo del presente articulo es caracterizar los niveles, la composicion quimica y las posibles fuentes de material particulado presente en esta region del pais, como un insumo para generar informacion oportuna que oriente a los tomadores de decision en materia politica, ambiental y de salud publica.

Metodologia

Muestreo

Para realizar el muestreo de las particulas, se seleccionaron trece sitios de monitoreo, representativos de las zonas comerciales, industriales y residenciales, ubicados en varios municipios del area metropolitana de Costa Rica. Los sitios determinados se caracterizaron por ser categoria B, de acuerdo con la clasificacion de la Agencia de Proteccion Ambiental de los Estados Unidos (USEPA, 2010). La categoria B se asigna a aquellos sitios donde se presenta alta concentracion de contaminantes con bajo potencial de acumulacion, ubicado de 3 metros a 15 metros de una arteria del alto flujo vehicular con buena ventilacion natural. En el cuadro 1 se muestra la distribucion espacial de los sitios de muestreo.

Para la coleccion de las muestras de las particulas [PM.sub.10], se utilizaron muestreadores de aire de alto volumen, marca Thermo Andersen, modelo MFC, en donde el aire del ambiente es aspirado en forma simetrica (independientemente de la direccion del viento), durante (24 [+ o -] 1) horas, a un caudal de 1,13 ([+ o -] 10 %) [m.sup.3][min.sup.-1]. Una vez cada tres muestreos, se realizo una curva de calibracion del flujo de cada uno de los muestreadores, comparando las lecturas de caida de presion generadas al pasar por un orificio critico calibrado (VARIFLO modelo 454), con respecto a las indicaciones del equipo.

Para cada uno de los muestreos se tomaron registros de las condiciones de la temperatura y la presion atmosferica con la ayuda de un anemometro (marca KESTREL, modelo 5000), con el fin de realizar posteriormente las correcciones del volumen, a 1 atm de presion y 25[grados]C de temperatura.

En la recoleccion de las particulas [PM.sub.10] se utilizaron filtros de fibra de vidrio (marca Whatman CAT, no. 1829-932), dos veces por semana y filtros de cuarzo (Whatman CAT 1851-865), en al menos una ocasion durante la semana, en los meses de enero a diciembre de 2012. Para el analisis de los iones inorganicos se utilizaron las muestras recolectadas tanto en los filtros de fibra de vidrio como en cuarzo, lo que dio un total de tres muestras semanales por sitio de muestreo, mientras que para el analisis de los metales, unicamente se emplearon los filtros de cuarzo (una muestra semanal). Dichos filtros se acondicionaron al menos 24 horas en una desecadora, bajo las siguientes condiciones: temperatura de 15 [grados]C a 30 [grados]C y una humedad relativa menor al 40 %, antes de medir la masa en una balanza analitica, al inicio y despues de cada uno de los muestreos.

Adicionalmente, en cada sitio de muestreo, una vez a la semana, se colocaron filtros de cuarzo pretratados a 900[grados]C durante al menos 5 horas antes de ser usados y guardados en bolsas de cierre hermetico (alto volumen), las cuales, posteriormente, se envolvieron en plastico adhesivo y papel aluminio. Antes y despues del muestreo, estos filtros fueron transportados al laboratorio en hieleras a temperaturas menores a los 4 [grados]C, para el postumo analisis del contenido de carbono presente en las particulas.

De cada uno de los filtros, se corto una tira de 2,54 cm de ancho y 23,0 cm de largo, la cual se coloco en un beaker de 150 ml y se extrajo con agua desionizada, utilizando un bano ultrasonico temperado a 35 [grados]C durante 60 minutos. El extracto obtenido se trasvaso cuantitativamente a un balon aforado de 100 ml. El analisis de las especies ionicas ([F.sup.-], [Cl.sup.-], N[O.sub.2.sup.-], N[O.sub.3-], P[O.sub.4.sup.3-], S[O.sub.4.sup.2-]) se realizo mediante cromatografia de intercambio ionico microbore con supresion, empleando un equipo marca DIONEX ICS-3000, provisto de una bomba cuaternaria. Solamente de los filtros de cuarzo, se tomo una porcion identica a la utilizada para el analisis de iones, la cual se coloco en un beaker de 150 ml al que se le agregaron 25 ml de agua desionizada y 2,5 ml de acido nitrico concentrado. Las muestras se llevaron hasta casi sequedad en una plantilla de calentamiento y el remanente se trasvaso cuantitativamente a un balon aforado de 25,00 ml. El analisis de los metales (V, Cr, Cu, Mn, Fe, Al, Pb, Ni) se realizo mediante espectrofotometria de absorcion atomica con horno de grafito, empleando un equipo marca PERKIN ELMER AANALYST 700, provisto de automuestreador. El analisis de Ca, Mg, Na y K se realizo mediante espectrofotometria de absorcion atomica por llama.

Los filtros de cuarzo pretratados fueron analizados en la Direccion General del Centro Nacional de Investigacion y Capacitacion Ambiental del Instituto Nacional de Ecologia de Mexico, con el fin de determinar la concentracion de carbono organico (OC) y elemental (EC) presente en las particulas, utilizando un analizador de carbono termo-optico marca DRI, modelo 211 (Atmoslytic Inc., Calabasas, CA, USA).

En este analisis, una porcion de 0,68 [cm.sup.2] de cada filtro fue analizada para obtener las ocho fracciones de carbono presentes, de acuerdo con el protocolo de analisis IMPROVE TOR (Chow et al., 2004; Fung et al., 2002). La aplicacion de este protocolo permite obtener cuatro fracciones de carbono organico (OC1, OC2, OC3 y OC4 a 120 [grados]C, 250 [grados]C, 450 [grados]C y 550 [grados]C, respectivamente, calentando la muestra en una atmosfera de helio), una fraccion de carbon pirolizado (OP, determinado cuando se presenta una atenuacion en la intensidad original de un laser que atraviesa la muestra, despues de inyectar oxigeno en la camara de combustion) y tres fracciones de carbono elemental (EC1, EC2 y EC3 a 550 [grados]C, 700 [grados]C y 800 [grados]C, respectivamente, en una atmosfera de 2 % oxigeno y 98 % helio). El carbono organico se determino como OC1 + OC2 + OC3 + OC4 + OP y el carbono elemental se calculo a partir de EC1 + EC2 + EC3 - OP. Los limites de deteccion para OC y EC fueron 746 ng [m.sup.-3] y 180 ng m-3, respectivamente.

Para la identificacion de las fuentes que contribuyen a incrementar los niveles de particulas en cada uno de los sitios de muestreo, se aplico una tecnica basada en modelos receptores. Los diferentes componentes quimicos del material particulado atmosferico fueron agrupados y, mediante analisis factorial, fueron transformados en perfiles de fuentes de material particulado especificos. Partiendo de una matriz con las diferentes variables que quieren ser incluidas en el analisis (concentraciones de los elementos mayoritarios y traza) para cada dia de muestreo, se obtuvo un numero de factores principales. Estos factores fueron el resultado de las combinaciones lineales de todos los parametros considerados. Con el proposito de maximizar la distancia entre los factores, se aplico una transformacion ortogonal (varimax normalized) y se obtuvo asi la matriz de componentes. En principio, cada uno de los factores correspondio a una fuente de material particulado y presentaron los componentes que caracterizan la fuente coeficientes (factor loading) mayores, proximos a 1.

El numero de factores maximo fue el mismo que de los componentes, no obstante, todos los factores presentaron un significado fisico. El numero de factores viene determinado por la varianza de los elementos originales, que al estar normalizados tuvieron todos una varianza de 1. La varianza acumulada de los factores obtenidos fue superior al 75 %, razon por la cual se considera el analisis como representativo. Se tuvo, de este modo, cada uno de los factores, los componentes que los caracterizan, el porcentaje de la varianza y la concentracion promedio que explica cada factor.

A partir de los factores/fuentes, se estimo cuantitativamente la contribucion diaria (de cada muestra) de cada factor a la masa total de [PM.sub.10] diaria. Se utilizo la metodologia descrita por Paatero (1997), que parte de los valores que al dia toman los factores (scores) obtenidos a partir de las concentraciones diarias de los elementos.

Resultados y discusion

En el cuadro 1 se muestran los resultados obtenidos como promedio anual para los trece sitios de monitoreo de particulas [PM.sub.10] en el area metropolitana de Costa Rica. Tal como se puede observar, en las areas industriales y comerciales de alto flujo vehicular (BE-01, HE-01, SJ-04) se presentaron concentraciones significativamente superiores (42 [micron]g/[m.sup.3] a 29 [micron]g/[m.sup.3]) a las registradas para zonas residenciales y comerciales de bajo flujo vehicular (23 [micron]g/[m.sup.3] a 15 [micron]g/[m.sup.3]). Durante el 2012, todos los sitios de monitoreo ubicados en el area metropolitana cumplieron tanto el limite de exposicion aguda de 150 [micron]g/[m.sup.3] como el valor de exposicion cronica de 50 [micron]g/[m.sup.3] contemplados en el decreto 30221-S "Reglamento de Inmision de Contaminantes de Costa Rica". En cuanto a la normativa internacional, las concentraciones superan el criterio emitido por la Organizacion Mundial de la Salud, con excepcion de MO-01 y SD-01. Las mayores concentraciones de particulas [PM.sub.10] en el area metropolitana se registraron durante los meses de agosto y setiembre (figura 1), en donde, por ejemplo, para el sitio de la Catedral Metropolitana se registraron promedios mensuales de hasta 47 [micron]g/[m.sup.3].

Como resultado importante, se puede mencionar que, durante el 2012, los sitios ubicados en la Catedral Metropolitana (SJ-01) y la Seccion de Parques de la Municipalidad de San Jose (SJ-02) (cuadro 2) revertieron la tendencia decreciente que venian registrando en anos anteriores (2008-2011), mientras que unicamente los sitios SJ-03, SJ-04, SA-01, MO-01 y AL-01 presentaron una disminucion significativa con respecto al 2011. En los cuadros 3 y 4 se presentan los valores medios y la desviacion estandar de la concentracion de los componentes mayores, carbono organico y elemental, asi como los metales traza analizados en las muestras de [PM.sub.10] colectadas en las estaciones del area metropolitana de Costa Rica. En promedio se ha podido determinar el 92 % de la masa total de [PM.sub.10], a partir del conjunto de componentes analizados y de aquellos obtenidos con las relaciones estequiometricas. Parte de la masa no determinada podria atribuirse a un cierto contenido de agua que, o bien forma parte de la composicion de las particulas, o bien ha sido absorbida por estas, y otra parte a elementos formadores del material organico no determinados (como azufre, hidrogeno y nitrogeno).

En las muestras de [PM.sub.10] el componente inorganico secundario fue el mas abundante gracias al aporte del sulfato no marino (nm S[O.sub.4.sup.2-]), el nitrato (N[O.sub.3-]) y el amonio (N[H.sub.4.sup.+]). Estos valores indican el caracter antropico del material particulado atmosferico registrado en las estaciones de monitoreo.

La suma del conjunto de elementos traza analizados ha alcanzado unicamente un valor medio de 0,8 [micron]g/[m.sup.3]. Los elementos traza mas abundantes son Cu, Mn y Cr, y estos se encuentran en un rango de entre 4,5 ng/[m.sup.3] y 328 ng/ m3. Del conjunto de los elementos traza, el unico que posee legislacion especifica en Costa Rica es el plomo (Pb), para el que se ha establecido un limite anual de 500 [micron]g/[m.sup.3]. En el nivel internacional, la Directiva europea 2004/107/CE contempla un valor objetivo para niquel (Ni) (20 ng/[m.sup.3]). Los niveles medios de estos elementos detectados en la fraccion [PM.sub.10] del area metropolitana de Costa Rica han sido de 5,4 [micron]g/[m.sup.3] de Pb y de 3,2 [micron]g/[m.sup.3] para el Ni, todos ellos por debajo de los valores limite y objetivo indicados.

[FIGURA 1 OMITIR]

Por otra parte, el Mn (136 ng/[m.sup.3], concentracion media anual para las trece estaciones) supera los valores sugeridos por la Organizacion Mundial de la Salud (OMS, 150 [micron]g/[m.sup.3]) en las estaciones HE-01, BE-01, AL-01 y CA-01. En este analisis, merece especial atencion el caso del Mn, ya que para al menos el 80 % de las estaciones de monitoreo se presentan incrementos importantes en la concentracion de este elemento con respecto al 2011, tal es el caso de las estaciones AL-01 (2011: 140, 2012: 328 ng/[m.sup.3]), ES-01 (2011: 94, 2012: 126 [micron]g/[m.sup.3]), CA-01 (2011: 102, 2012: 290 [micron]g/[m.sup.3]), HE-01 (2011: 78, 2012: 215 ng/[m.sup.3]), SJ01 (2011: 20, 2012: 46 [micron]g/[m.sup.3]) y SJ-04 (2011: 27, 2012: 65 [micron]g/[m.sup.3]).

Por ultimo, la Guia de calidad del aire de la OMS propone un valor limite diario de 1000 ng/ m3 de V, que no deberia superarse nunca y tampoco se supera en las estaciones de estudio.

Para estimar la cantidad de S[O.sub.4.sup.2-] y N[O.sub.3]- neutralizada por N[H.sub.4.sup.+] en cada muestra de material particulado obtenida, se realizo un analisis basado en el balance ionico entre los neq/m3 existentes de estos componentes, en las distintas muestras obtenidas. En el cuadro 5 se observa que existe un deficit de N[H.sub.4.sup.+], ya que los factores de correlacion presentan valores no cercanos a uno, lo que indica que gran parte de las especies acidas, sobre todo el S[O.sub.4.sup.2-] y N[O.sub.3]-, han debido estar asociadas a otros cationes, o bien han debido existir como especies acidas ([H.sub.2]S[O.sub.4] y HN[O.sub.3]). Ademas del (N[H.sub.4])[.sub.2]S[O.sub.4] y N[H.sub.4]N[O.sub.3] (especies dominantes), en la fraccion de [PM.sub.10] los compuestos sulfatados y nitratados mas comunes son el Na2SO4, el NaN[O.sub.3], el Ca(N[O.sub.3])2, el CaSO4 y el Mg[(N[O.sub.3]).sub.2,] formados a traves de reacciones de especies gaseosas acidas con particulas gruesas de origen marino o mineral como NaCl, CaC[O.sub.3] o MgC[O.sub.3] (Terzi et al., 2010).

Estas reacciones dependeran en gran medida de la disponibilidad de los aniones y de la humedad relativa. Adicionalmente, en el cuadro 5 se presentan los resultados del balance ionico entre [n.sup.+] y [Cl.sup.-] para todas las muestras colectadas en cada uno de los sitios de monitoreo. Los resultados evidencian que ha existido un deficit de [Cl.sup.-] respecto al [n.sup.+], por lo que se descarta la presencia de [Cl.sup.-] antropogenico. Como se ha comentado, la presencia de estos iones en el material particulado (preferentemente en las muestras de [PM.sub.10]) es atribuible generalmente a las emisiones marinas de NaCl, aunque pueden detectarse contribuciones antropogenicas, sobre todo en el caso del cloruro. El deficit de este ion respecto al sodio esta relacionado con la reaccion entre el HNO3 y el NaCl que genera la formacion de NaNO3 y la perdida de [Cl.sup.-] en forma de HCl en la atmosfera. Hay que tener en cuenta que el NH4NO3 es un compuesto volatil a temperaturas relativamente elevadas, por lo que en epoca seca estas fases nitrogenadas particuladas pueden no ser estables disociandose en forma de NH3 (gas) y HNO3 (gas) que puede interaccionar con el cloruro de sodio (Seinfeld y Pandis, 2006).

El aerosol marino contribuye a la composicion de las particulas [PM.sub.10]. Con el fin de estimar este aporte, es necesario calcular la fraccion de los distintos componentes inorganicos influenciados por el. Iones como S[O.sub.4.sup.-2], [K.sup.+], [Mg.sup.+2] y [Ca.sup.+2] tienen fuentes tanto marinas como antropogenicas. Basado en la relacion de masa de estos iones con respecto al [n.sup.+], el componente debido al aerosol marino se puede calcular mediante la siguiente ecuacion (Duce et al., 1983):

[[X].sub.nam] = Mx - [[X / Na].sub.am] [M.sub.Na] (7)

La expresion [[X / Na].sub.am] denota la relacion de masa del ion X con respecto al [Na.sup.+] en el agua de mar; Mx y MNa, la concentracion del ion X y del [n.sup.+] en las particulas [PM.sub.10]. La relacion de masa de los iones S[O.sub.4.sup.-2], [K.sup.+], [Mg.sup.+2] y [Ca.sup.+2] con respecto al [n.sup.+] en agua de mar es de 0,25, 0,037, 0,12 y 0,038, respectivamente (Berg y Winchester, 1978). La diferencia entre la concentracion del ion presente en las particulas y el componente debido a la contribucion marina corresponde a la fraccion originada por fuentes diferentes al aerosol marino [[X].sub.nam]. Si se analiza el caso del S[O.sub.4.sup.-2] , aproximadamente el 86 % de la concentracion masica de esteion tiene un origen distinto al aerosol marino; en el caso del [K.sup.+] y el [Ca.sup.+2] esta fraccion representa como minimo el 93 % en los diferentes sitios de muestreo. Sobre el continente, la fraccion de S[O.sub.4.sup.-2] que no proviene del aerosol marino constituye un trazador de actividades antropogenicas y de quema de combustibles fosiles, el [K.sub.nam] se origina mayoritariamente por quema de biomasa, mientras que el [Ca.sub.nam] tiene un origen predominantemente crustal.

Con el proposito de realizar la reconstruccion de la masa de las particulas [PM.sub.10] en cada sitio de muestreo, se asumio que las particulas se pueden clasificar en seis grandes grupos: iones secundarios, material crustal, carbono elemental, materia organica, aerosol marino y metales traza. Para realizar la reconstruccion de masa, se siguio el procedimiento recomendado por Chen et al. (2002). La suma de la concentracion del sulfato, el nitrato y el amonio permitio calcular la fraccion de iones secundarios. La materia organica se puede obtener al multiplicar la concentracion de carbono organico por 1,4. Este factor asume que la masa de materia organica contiene un 71 % de carbono en masa y se utiliza para considerar el hidrogeno y el oxigeno no incluido durante el analisis de carbono. La masa de material crustal se estima con base en las contribuciones de los oxidos de Al, Ca, Fe, Si, Ti, Mg y K de acuerdo con la siguiente ecuacion:

Material crustal = (1,89Al + 1,21[K.sup.+] 1,43Ca + 1,66Mg + 1,7Ti + 2,14 Si) (1)

El silicio elemental se estimo al multiplicar la concentracion de Al por 3,41. El aporte del aerosol marino se determino a partir de la suma de [Cl.sup.-] y de las fracciones de S[O.sub.4.sup.2-], Na, Ca, K y Mg de origen marino. Estas fracciones se calcularon de la siguiente forma: Na am = 0,566[Cl.sup.-], Ca am = 0,038 Na am, Mg am = 0,12 Na am, K am = 0,036 Na am, S[O.sub.4.sup.2-]am = 0,252 Na am.

Por ultimo, los metales traza se consideraron en forma de sus respectivos oxidos de acuerdo con la siguiente ecuacion:

Metales traza = 1,47[V] + 1,29[Mn] + 1,27[Ni] +1,25[Cu] +1,08[Pb] + 1,31[Cr] (2)

El aporte crustal a las particulas [PM.sub.10] incrementa desde 13 % a 14 % en zonas industriales y de alto flujo vehicular hasta 28 % en la zona residencial (figura 1). Lo anterior se puede deber a la existencia de una mayor proporcion de terrenos no urbanizados en estas regiones, los cuales estan sujetos a los procesos de resuspension por accion del viento. El aporte del aerosol marino varia entre 2,5 % y 5 % para los sitios de muestreo y presenta un comportamiento bastante regular. Lo dicho, evidencia que la contribucion de este componente obedece mas a fenomenos de escala regional. Los niveles de materia organica y carbono elemental (OM + EC) son maximos en HE-01 y BE-01, al representar entre 53 % y 56 % de la masa total de particulas [PM.sub.10]. Estos resultados muestran la importancia del aporte de los procesos de combustion a la composicion de las particulas finas. Los metales traza representan la contribucion mas pequena para todos los sitios de monitoreo.

La identificacion de las diferentes fuentes de emision que contribuyen a incrementar los niveles de [PM.sub.10] es uno de los principales objetivos derivados del estudio de la composicion quimica de las particulas. En este caso, se aplico la tecnica de PMF a la matriz de resultados experimentales, lo cual permite identificar las principales fuentes de material particulado en cada uno de los emplazamientos de estudio. Algunos de los componentes analizados no se han introducido en el analisis de componentes principales, debido a que la concentracion media diaria que registran en muchas ocasiones es proxima o inferior al limite de deteccion del metodo.

Los diferentes factores identificados mediante la aplicacion del analisis de componentes principales a las matrices de datos experimentales y los factor loadings asociados a cada uno de los componentes quimicos se presentan en el cuadro 6.

El primer factor identificado corresponde al aporte crustal, determinado por la presencia de Al, Ca, Mg y Fe. Este factor representa los aportes crustales de origen natural (resuspension de polvo) y de origen antropico (resuspension de polvo de carretera ocasionada por el trafico rodado, material mineral procedente de trabajos de construccion, demolicion, descarga de materiales en construcciones, etc.). La varianza que representa este factor alcanza 11,5 % en las zonas industriales, asi como 14,5 % y 16 % en zonas residenciales y comerciales de alto flujo vehicular del area metropolitana, respectivamente.

El segundo factor corresponde al aerosol marino reconocido por sus trazadores mas importantes: Na y Cl. La varianza explicada por este componente se mantiene mas o menos constante en las tres diferentes clases de zonas, con aportes entre 9,7 % y 11 %. Un tercer factor consiste, principalmente, en la contribucion de aerosoles secundarios de sulfato, nitrato y amonio, incluyendo una importante participacion de aerosol secundario. El porcentaje de varianza explicado por este factor se hace mas importante en zonas comerciales y residenciales, donde alcanza valores superiores a 24 %.

El factor trafico se encuentra definido por componentes relacionados con emisiones primarias (OC + EC), particulas secundarias formadas a partir de los precursores gaseosos emitidos y el desgaste mecanico de elementos como frenos. Este factor presenta, un mayor porcentaje de varianza explicada en las zonas residenciales y comerciales, que alcanza 24 % y 27 %, respectivamente.

Del analisis de PCA, se logra identificar un factor que esta presente unicamente en la zona industrial, definido por la presencia de Ni, Cr, Pb y carbono organico. Estos elementos reflejan el aporte de las emisiones de procesos metalurgicos o de industria quimica especializada, de acuerdo con varios estudios realizados (Chow et al., 2004).

Por ultimo, el factor relacionado con la combustion de bunker, en el cual se incluye al Ni y el V como trazadores, explica alrededor del 18,5 % de la varianza de los datos para el sitio de muestreo ubicado en la zona industrial; sin embargo, su contribucion decrece en zonas comerciales a casi un 9 % y no aparece como resultado del analisis en zonas residenciales del area metropolitana.

Una vez identificados los distintos factores mediante la aplicacion de un analisis de componentes principales, se ha realizado la regresion multilineal, a partir de los valores medios diarios de [PM.sub.10]. Ello permite cuantificar la contribucion media diaria de cada una de las fuentes identificadas. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 2.

Conclusiones

La variacion interanual en las concentraciones de [PM.sub.10], para los sitios de muestreo, rompio la tendencia al descenso mostrada en anos anteriores. De esta forma, un numero importante de estaciones mantuvieron concentraciones estables e inclusive en algunos casos ligeramente superiores.

Las concentraciones de los iones sulfato y nitrato presentes en las particulas [PM.sub.10] se incrementan a una tasa anual cercana al 8 %, lo que podria evidenciar indirectamente el aumento en las emisiones de oxidos de nitrogeno y dioxido de azufre en la cuenca atmosferica.

Un hallazgo importante durante el 2012 resulta el incremento, en al menos el 80 % de los sitios de monitoreo, de las concentraciones de manganeso en particulas [PM.sub.10], en tasas que rondan desde un 70 % a un 250 % con respecto a los valores obtenidos en el 2011. Inclusive, en algunas de las estaciones de monitoreo, se incumple con los valores recomendados por la OMS.

Las principales fuentes que determinan la composicion quimica de las particulas [PM.sub.10] son los aerosoles secundarios, el trafico rodado, el material crustal, el aerosol marino, la quema de combustibles residuales y las actividades industriales. La contribucion de cada uno de ellos varia dependiendo de la naturaleza del sitio de muestreo.

A partir de la identificacion de las fuentes que contribuyen a los niveles de las [PM.sub.10], se hace necesario inventariar, con la mayor exactitud posible, cada una de ellas, con el fin de determinar las emisiones reales generadas, como punto de partida para poder establecer las politicas y planes requeridos que logren una reduccion sistematica de este contaminante.

Referencias

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Jorge Herrera, Jose Felix Rojas, Victor Hugo y Hazle Arguello

J. Herrera, quimico, es coordinador del Laboratorio de Analisis Ambiental de la Escuela de Ciencias Ambientales de la Universidad Nacional.

J. F. Rojas, quimico, es investigador en dicho Laboratorio.

V. H. Beita, quimico industrial, es encargado de la Seccion de Aire del mencionado Laboratorio.

A. Rodriguez, gestor ambiental, es muestreador en la misma Seccion de Aire del Laboratorio.

D. Solorzano y H. Arguello, quimicos industriales, son analistas en esta misma Seccion.
Cuadro 1. Descripcion de la ubicacion de las estaciones utilizadas
para el muestreo de particulas en el area metropolitana
de Costa Rica

Codigo      Canton      Ubicacion
del sitio

SJ-01       San Jose    Catedral Metropolitana
SJ-02       San Jose    Seccion de Parques, Municipalidad de San Jose
SJ-03       San Jose    Centro de Reciclaje Municipal, Hatillo
SJ-04       San Jose    Compania Nacional de Fuerza y Luz, La Uruca
SJ-05       San Jose    Registro Nacional, Zapote
SJ-06       San Jose    Plantel Municipal
ES-01       Escazu      Municipalidad de Escazu
BE-01       Belen       La Ribera
HE-01       Heredia     Rectoria de la Universidad Nacional
SA-01       Santa Ana   Lindora
CA-01       Cartago     Parque Industrial
MO-01       Moravia     Instalaciones de la empresa Eaton
AL-01       Alajuela    Campus de la Universidad Tecnica Nacional

Codigo      Representatividad del sitio
del sitio

SJ-01       Comercial
SJ-02       Comercial
SJ-03       Transicion Residencial/comercial
SJ-04       Comercial
SJ-05       Comercial
SJ-06       Comercial
ES-01       Comercial
BE-01       Transicion Comercial/residencial
HE-01       Comercial
SA-01       Comercial
CA-01       Industrial
MO-01       Residencial
AL-01       Comercial

Cuadro 1. Concentracion promedio anual de particulas
[PM.sub.10] ([micron]g/[m.sup.3]) obtenidas en el area
metropolitana de Costa Rica, 2012

Sitio de      Promedio annual       Desviacion estandar
muestreo    ([micron]g/[m.sup.3])   ([micron]g/[m.sup.3])

SJ-01                27                      15
SJ-02                29                      12
SJ-03                27                      7
SJ-04                29                      8
SJ-05                22                      6
ES-01                23                      6
HE-01                42                      15
BE-01                32                      12
SA-01                22                      7
AL-01                22                      6
CA-01                25                      8
MO-01                15                      7
SD-01                18                      6

Sitio de        Valor maximo
muestreo   registrado en 24 horas

SJ-01               117
SJ-02               124
SJ-03                45
SJ-04                50
SJ-05                38
ES-01                38
HE-01                84
BE-01                86
SA-01                43
AL-01                36
CA-01                56
MO-01                37
SD-01                39

Cuadro 2. Evolucion de los promedios anuales de particulas
P[M.sub.10] ([micron]g/[m.sup.3]) obtenidas en el area
metropolitana de Costa Rica, 2008-2012

Sitio de   2008    2009    2010    2011    2012
muestreo

SJ-01       29      27      28      24      27
SJ-02                               26      29
SJ-03                       35      32      27
SJ-04                       37      32      29
SJ-05                       29      22      22
ES-01                       22      23      23
SA-01                       26      26      22

Sitio de   2008    2009    2010    2011    2012
muestreo

MO-01                       20      20      15
HE-01                       56      45      42
BE-01       41      38      34      33      32
BE-02                       52      54      56
SD-01                       22      21      18
CA-01                       28      28      25
AL-01                       25      26      22

Cuadro 3. Composicion ionica de las particulas P[M.sub.10]
colectadas en el area metropolitana de Costa Rica, 2012

Sitio de    [F.sup.-]    [Cl.sup.-]    N[O.sub.2]-
muestreo   ([micron]g/   ([micron]g/   ([micron]g/
           [m.sup.3])    [m.sup.3])    [m.sup.3])

SJ-01      0,46 (0,20)   1,21 (0,66)   0,30 (0,10)
SJ-02      0,39 (0,13)   1,20 (0,71)   0,35 (0,20)
SJ-03      0,39 (0,18)   1,14 (0,73)   0,28 (0,06)
SJ-04      0,41 (0,23)   0,78 (0,45)   0,28 (0,05)
SJ-05      0,36 (0,19)   0,95 (0,49)   0,38 (0,72)
ES-01      0,42 (0,21)   1,30 (0,75)   0,28 (0,06)
SA-01      0,23 (0,16)   1,28 (0,74)   0,24 (0,04)
MO-01      0,18 (0,10)   1,37 (0,85)   0,27 (0,08)
HE-01      0,20 (0,13)   1,29 (0,76)   0,27 (0,09)
BE-01      0,32 (0,15)   1,26 (0,69)   0,27 (0,06)
SD-01      0,18 (0,10)   1,63 (0,87)   0,25 (0,06)
AL-01      0,19 (0,16)   1,34 (0,69)   0,24 (0,04)
CA-01      0,20 (0,13)   1,22 (0,67)   0,27 (0,08)

Sitio de   [Br.sup.-]    N[O.sub.3.sup.-]   P[O.sub.4.sup.3]
muestreo   ([micron]g/      ([micron]g/        ([micron]g/
           [m.sup.3])       [m.sup.3])         [m.sup.3])

SJ-01      0,28 (0,05)     0,94 (0,37)        1,06 (0,42)
SJ-02      0,29 (0,05)     0,83 (0,29)        0,81 (0,39)
SJ-03      0,29 (0,06)     0,70 (0,31)        0,86 (0,39)
SJ-04      0,51 (0,08)     0,53 (0,32)        1,00 (0,58)
SJ-05      0,37 (0,13)     0,56 (0,53)        1,01 (0,43)
ES-01      0,28 (0,04)     0,76 (0,32)        1,09 (0,48)
SA-01      0,27 (0,03)     0,76 (0,39)        1,08 (0,55)
MO-01      0,29 (0,03)     0,66 (0,30)        1,12 (0,51)
HE-01      0,27 (0,06)     0,82 (0,38)        1,08 (0,50)
BE-01      0,27 (0,08)     0,74 (0,36)        1,01 (0,39)
SD-01      0,26 (0,03)     0,81 (0,20)        1,06 (0,55)
AL-01      0,28 (0,03)     0,88 (0,41)        1,14 (0,82)
CA-01      0,28 (0,03)     0,68 (0,32)        1,05 (0,48)

Sitio de    S[O.sub.4        Formiato           Oxalato
muestreo    .sup.2-]        ([micron]g/        ([micron]g/
           ([micron]g/       [m.sup.3])         [m.sup.3])
           [m.sup.3])

SJ-01      5,03 (3,26)     0,46 (0,43)        0,35 (0,11)
SJ-02      3,97 (2,26)     0,40 (0,35)        0,38 (0,13)
SJ-03      3,64 (2,00)     0,35 (0,34)        0,34 (0,10)
SJ-04      2,28 (1,25)     0,26 (0,19)        0,84 (0,61)
SJ-05      3,33 (3,08)     0,36 (0,83)        0,31 (0,08)
ES-01      2,78 (1,55)     0,45 (0,47)        0,36 (0,11)
SA-01      2,85 (1,68)     0,26 (0,22)        0,23 (0,05)
MO-01      2,40 (1,27)     0,40 (0,29)        0,22 (0,05)
HE-01      3,11 (2,74)     0,30 (0,23)        0,21 (0,06)
BE-01      2,31 (0,75)     0,29 (0,28)        0,35 (0,11)
SD-01      2,59 (1,55)     0,36 (0,47)        0,21 (0,05)
AL-01      3,82 (2,74)     0,41 (0,80)        0,20 (0,05)
CA-01      2,12 (1,15)     0,38 (0,25)        0,23 (0,06)

Los valores entre parentesis representan la desviacion
estandar del dato.

Cuadro 4. Concentracion de metales presentes en las particulas
P[M.sub.10] colectadas en el area metropolitana de
Costa Rica, 2012

Sitio de       Cobre           Vanadio           Niquel
muestreo   (ng/[m.sup.3])   (ng/[m.sup.3])   (ng/[m.sup.3])

SJ-01         14 (7,7)        4,0 (2,0)        3,0 (1,4)
SJ-02         28 (29)         2,7 (1,0)        2,5 (1,8)
SJ-03         21 (28)         6,2 (2,1)        3,0 (2,0)
SJ-04         31 (11)         10,3 (6,2)       4,6 (2,0)
SJ-05         103 (59)        4,7 (1,4)        2,4 (0,9)
ES-01         126 (77)        2,4 (0,9)        1,6 (0,6)
SA-01          18 (9)         2,4 (1,0)        2,5 (1,0)
MO-01          15 (7)         2,5 (1,3)        2,8 (1,3)
HE-01         81 (24)         5,5 (5,8)        3,3 (2,5)
BE-01         56 (39)         7,1 (5,8)        3,9 (3,6)
SD-01         18 (5,4)        3,7 (2,0)        2,7 (1,1)
AL-01         67 (24)         6,4 (3,9)        4,1 (3,2)
CA-01         75 (28)         7,3 (4,6)        4,9 (3,0)

Sitio de       Plomo          Manganeso         Aluminio
muestreo   (ng/[m.sup.3])   (ng/[m.sup.3])   (ng/[m.sup.3])

SJ-01        3,8 (1,9)         46 (7,0)        284 (159)
SJ-02        9,3 (4,4)         63 (35)         284 (142)
SJ-03        4,2 (1,8)         73 (31)          92 (42)
SJ-04        4,2 (2,6)         65 (39)          112 (60)
SJ-05        6,2 (3,6)         88 (42)          89 (89)
ES-01        2,5 (0,9)         126 (58)        289 (100)
SA-01        4,3 (1,4)         100 (80)        333 (187)
MO-01        3,5 (1,1)         37 (54)         487 (121)
HE-01        7,0 (1,5)        215 (354)        605 (108)
BE-01        6,7 (1,5)        270 (354)        543 (132)
SD-01        4,1 (1,5)         135 (11)         295 (71)
AL-01        7,3 (2,5)        328 (190)        487 (151)
CA-01        7,8 (1,7)         290 (87)        505 (145)

Sitio de       Hierro           Calcio           Sodio
muestreo    ([micron]g/       ([micron]g/      ([micron]g/
             [m.sup.3])       [m.sup.3])       [m.sup.3])

SJ-01        38,4 (85)       0,29 (0,13)       2,3 (1,1)
SJ-02        189 (104)       0,28 (0,06)       2,4 (1,9)
SJ-03         251 (91)       0,46 (0,18)       1,4 (0,6)
SJ-04        240 (144)       0,30 (0,05)       1,5 (0,4)
SJ-05         69 (45)        0,25 (0,06)       1,6 (0,6)
ES-01         121 (80)       0,22 (0,05)       1,4 (0,5)
SA-01         224 (97)       0,18 (0,05)       1,5 (0,5)
MO-01         397 (95)       0,22 (0,06)       1,3 (0,4)
HE-01        477 (102)       0,31 (0,08)       2,1 (0,5)
BE-01        404 (161)       0,25 (0,06)       1,7 (0,5)
SD-01         188 (71)       0,27 (0,11)       1,9 (0,9)
AL-01        381 (129)       0,31 (0,07)       1,5 (0,6)
CA-01        395 (107)       0,33 (0,09)       1,2 (0,7)

Sitio de      Potasio          Magnesio          Cromo
muestreo     ([micron]g/      ([micron]g/    (ng/[m.sup.3])
             [m.sup.3])       [m.sup.3])

SJ-01       0,17 (0,25)      0,22 (0,65)        21 (13)
SJ-02       0,16 (0,12)      0,11 (0,14)        11 (1,3)
SJ-03       0,09 (0,04)      0,12 (0,06)        10 (1,5)
SJ-04       0,11 (0,06)      0,11 (0,04)        10 (1,9)
SJ-05       0,24 (0,07)     0,099 (0,024)      8,1 (1,3)
ES-01       0,44 (0,04)     0,105 (0,050)      6,5 (6,9)
SA-01       0,38 (0,09)      0,12 (0,05)        23 (27)
MO-01       0,37 (0,09)      0,17 (0,05)       4,5 (1,7)
HE-01       0,42 (0,09)      0,23 (0,05)        25 (16)
BE-01       0,49 (0,07)      0,12 (0,04)       5,8 (1,3)
SD-01       0,23 (0,09)      0,23 (0,45)       7,9 (8,6)
AL-01       0,41 (0,08)      0,14 (0,05)         16 (5)
CA-01       0,28 (0,05)      0,14 (0,06)         20 (8)

Los valores entre parentesis representan la desviacion
estandar del dato.

Cuadro 5. Factores de correlacion de Spearman para algunas
de las especies quimicas medidas en las particulas P[M.sub.10]

Sitio de    N[H.sub.4.sup.+]y     [Na.sup.+] y
muestreo   (S[O.sub.4.sup.2-] +    [Cl.sup.-]
               N[O.sub.3])

SJ-01             0,825              0,854
SJ-02             0,808              0,882
SJ-03             0,859              0,904
SJ-04             0,876              0,893
SJ-05             0,812              0,864
ES-01             0,880              0,907
SA-01             0,841              0,878
MO-01             0,795              0,965
HE-01             0,786              0,924
BE-01             0,761              0,869
SD-01             0,757              0,914
CA-01             0,862              0,871
AL-01             0,855              0,906

Cuadro 6. Factores identificados en P[M.sub.10] mediante
PCA en BE-01, que muestran los factores loadings asociados
a cada componente quimico, para cada uno de los factores,
y el porcentaje de varianza explicado

                    Crustal   Industrial   Marino

OC                   0,217      0,551      0,007
EC                   0,134      0,034      0,032
S[O.sub.4.sup.2-]    0,084      0,129     -0,001
N[O.sub.3.sup.-]     0,102      0,227      0,112
N[H.sub.4.sup.+]     0,055      0,083      0,066
[Cl.sup.-]           0,201     -0,001      0,937
Na                   0,023      0,007      0,856
K                    0,127      0,013      0,734
Ca                   0,874      0,047      0,604
Mg                   0,796      0,101      0,620
Al                   0,881      0,173      0,023
Fe                   0,835      0,087      0,110
V                    0,011      0,122      0,000
Ni                  -0,127      0,698      0,016
Cr                  -0,085      0,783      0,097
Cu                   0,003      0,201      0,023
Mn                   0,456      0,139      0,139
Pb                   0,122      0,653      0,011
%                    11,5        10,1       9,7

                    Combustion     Trafico      Particulas
                    de bunker     vehicular     secundarias
                                   y polvo
                                 resuspendido

OC                    0,347         0,621          0,587
EC                    0,199         0,764          0,116
S[O.sub.4.sup.2-]     0,087         0,388          0,647
N[O.sub.3.sup.-]      0,110         0,263          0,782
N[H.sub.4.sup.+]      0,077         0,146          0,675
[Cl.sup.-]            0,001         0,011          0,001

Na                   -0,023        -0,023         -0,042
K                     0,019         0,000          0,132
Ca                    0,105         0,039          0,098
Mg                    0,088         0,306          0,032
Al                    0,208         0,105          0,198
Fe                   -0,077         0,697          0,103
V                     0,744         0,109          0,001
Ni                    0,916         0,233          0,032
Cr                    0,805         0,421          0,026
Cu                    0,397         0,702         -0,087
Mn                    0,042         0,338          0,132
Pb                    0,340         0,200          0,034
%                     18,5          21,2           15,6

Figura 2. Composicion media de las particulas [PM.sub.10]
en dos sitios del area metropolitana de Costa Rica, 2012

Elementos traza           1%
No identificado          12%
Carbono elemental        19%
Materia organica         34%
Iones secundarios        18%
Aerosol marino            3%
Material crustal         13%

Nota: Tabla derivada de grafico segmentado.

Elementos traza              1%
No identificado              3%
Carbono elemental            8%
Materia organica            27%
Iones secundarios           28%
Aerosol marino               5%
Material crustal            28%

Nota: Tabla derivada de grafico segmentado.
COPYRIGHT 2014 Universidad Nacional de Costa Rica. Escuela de Ciencias Ambientales
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Author:Herrera, Jorge; Felix Rojas, Jose; Hugo Beita, Victor; Rodriguez, Agustin; Solorzan, David; Arguello
Publication:Ciencias ambientales
Date:Dec 1, 2014
Words:8294
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