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Estudio de parametros de calidad del aire en una zona urbana, industrial y rural.

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1. Introduccion

Uno de los temas de interes mas frecuente en la sociedad es el de la calidad del medioambiente. Los nucleos urbanos tienen enclaves donde la poblacion vive en contacto directo con una gran cantidad de sustancias, algunas de ellas consideradas peligrosas para la salud, que forman parte del aire que respiramos y que proceden de fuentes tan integradas en nuestra vida cotidiana como las emisiones de los tubos de escape de los vehiculos, los humos emitidos por las chimeneas de los tejados de nuestras casas o de industrias, hasta los detergentes utilizados para uso domestico.

El estudio de la calidad del aire se aplica debido a las altas concentraciones emitidas a la atmosfera de contaminantes primarios como monoxido de carbono (CO), oxidos de nitrogeno (NO y N[O.sub.2]) y dioxido de azufre (S[O.sub.2]), que reaccionan generando otros contaminantes secundarios que son precursores de ozono troposferico.

La calidad del aire se monitorea constantemente con el fin de controlar y vigilar los niveles de contaminacion en diferentes areas que pueden ser influenciadas por fuentes antropogenicas y naturales, que impactan de forma seca y/o humeda en la superficie de la tierra afectando los recursos naturales y la salud humana.

2. Marco Teorico

La costa vizcaina se enmarca dentro de un clima templado sobre la vertiente atlantica, que oscila entre las temperaturas medias mensuales en la region. Las diferencias entre los meses mas calidos y los mas frios son de tan solo unos 11[grados]C o 12[grados]C aproximadamente, mientras que en el interior aumentan sensiblemente, hasta llegar a ser de unos 17[grados]C o 18[grados]C, presentando temperaturas minimas para el mes de enero de 4 [grados]C y 5[grados]C, y maximas para los meses de verano (junio-septiembre), que rondan los 40[grados]C, junto con los vientos del sur. El oceano Atlantico ejerce una influencia notoria. Las masas de aire, cuyas temperaturas se han suavizado al tener contacto con las templadas aguas oceanicas, llegan a la costa y hacen que las oscilaciones termicas entre la noche y el dia, o entre el verano y el invierno, sean poco acusadas. El factor orografico explica la gran cantidad de lluvias de toda la vertiente atlantica del Pais Vasco, entre 1 200 y mas de 2 000 mm de precipitacion anual y vientos predominantes en la direccion noroeste (NO).

Para ilustrar la importancia de las estaciones de fondo, no solo para determinar los niveles umbrales de concentracion y la incidencia de las emisiones urbanas e industriales en estas areas, sino, en algunos casos, para caracterizar las zonas de maximos niveles de algunos contaminantes.

La evolucion del monoxido de carbono (CO) en el la zona urbana esta asociado fundamentalmente al trafico vehicular. Por su parte, los oxidos de nitrogeno, NO y N[O.sub.2], en areas urbanas, se deben tambien fundamentalmente al trafico y a procesos de combustion, y su estudio esta relacionado directamente con los efectos del N[O.sub.2] en la salud humana [3] y con su participacion en reacciones de produccion fotoquimica de ozono.

El ozono se genera en la atmosfera por reacciones fotoquimicas, favorecidas por el desplazamiento del equilibrio fotoestacionario que alcanzan con los oxidos de nitrogeno (NO y N[O.sub.2]), cuando intervienen los radicales hidroxilo e hidrocarburos [4], [5], [6].

3. Zona de estudio

La Red de Vigilancia y Control de la Contaminacion Atmosferica del Gobierno Vasco dispone de analizadores y sensores que miden contaminantes preceptivos, segun la normativa en materia de calidad del aire (Directiva2008/50/ CE). Dispone de unas 50 estaciones, de las cuales 13 estan ubicadas en zonas industriales. Estas estaciones permiten caracterizar tanto la contaminacion (convencional) de fondo como la calidad del aire en zonas urbanas y tambien en entornos industriales.

Para realizar el estudio se han tomado tres estaciones con diferentes entornos, ubicadas en la comunidad del Pais Vasco, al norte de Espana, como se observa en la Figura 1.

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Las estaciones ubicadas en la localidad de Vizcaya son de fondo industrial (denominada Muskiz) y de fondo urbano en el barrio de Mazarredoy. La estacion ubicada en la localidad de Alava se caracteriza por un fondo rural al estar ubicada en el Parque Natural de Valderejo y es considerada como una atmosfera de aire limpio.

4. Materiales y metodos

La Red del Gobierno Vasco registra datos horarios en todas sus estaciones de los contaminantes atmosfericos como [O.sub.3], [PM.sub.10] y [PM.sub.2.5], CO, NO, N[O.sub.2] y S[O.sub.2].

Los datos registrados en las tres estaciones (Muzkis, Mazarredo-Abanto y Valderejo) se han procesado-validado para el ano 2012. Para la zona industrial, ha sido preciso tomar datos horarios de dos estaciones muy cercanas: Muskiz ([O.sub.3] y CO) y Abanto (NO, N[O.sub.2], S[O.sub.2] y [PM.sub.10]), para complementar los datos y conseguir una adecuada cobertura temporal.

Los contaminantes se pueden medir con muestreos continuos o discontinuos. En el primero de los casos se trata de un muestreo continuo a lo largo del ano. Este puede ser a tiempo real (analizadores automaticos dentro de estaciones fijas) o en tiempos de 24 horas (analizadores manuales). En los muestreos discontinuos se hace una medicion por periodo estacional, meses predefinidos o semanas. Para estos muestreos se dispone de unidades moviles. Los metodos fisico/ quimicos se observan en la Tabla 1.

Todos los analizadores automaticos cuentan con estos sistemas internos e interdependientes: un sistema electronico que contiene el software de operacion, controla el funcionamiento del analizador y realiza automaticamente los calculos para el reporte de los resultados, y sistema optico donde se aplica el metodo de medicion del analizador, mediante procesos fisicos y/o quimicos, dependiendo del gas a analizar.

5. Resultados y discusion

El desarrollo de sistemas avanzados de vigilancia sistematica e individualizada para contaminantes atmosfericos no convencionales en ambiente, es ya un componente esencial en las modernas estrategias de gestion de la calidad del aire que presentan mayor reactividad fotoquimica y toxicidad.

En la Figura 2 se muestran, en [micron]g/[m.sup.3], las concentraciones promedio anuales correspondientes al 2012 de los contaminantes convencionales registrados en las estaciones de Mazarredo (zona urbana), Muskiz-Abanto (zona industrial) y Valderejo (zona rural).

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Puede apreciarse que para los contaminantes mas directamente asociados a las emisiones de trafico como son CO, NO, N[O.sub.2] y [PM.sub.10], los promedios mas altos corresponden siempre a la estacion de tipo urbano (Mazarredo), mientras que para el S[O.sub.2], contaminante mas relacionado con emisiones industriales, los promedios mayores se dan en la estacion de Muskiz. La estacion de Valderejo presenta un comportamiento de aire fondo o limpio donde se registran los promedios mas bajos. Con relacion al ozono, contaminante secundario tipico y que no es emitido directamente por ninguna fuente, vemos que este se forma en la atmosfera mientras se transporta. La situacion anterior se invierte completamente y es la estacion remota de Valderejo (Parque Natural de Valderejo, Alava) la que registra el mayor promedio, seguida de la industrial y, por ultimo, de la urbana. Con esto se pone de manifiesto la importancia del estudio de los precursores de ozono (Oxidos de Nitrogeno y Compuestos Organicos Volatiles) en estas areas [7].

Se compara la evolucion horaria para cada dia de la semana de la concentracion promedio registrada en la estacion de Muskiz (area industrial), en la estacion de Mazarredo (area urbana) y en la estacion de Valderejo (area rural) para el ano 2012 (ver Figura 3). En zonas con marcada influencia vehicular se aprecian dos maximos a lo largo del dia: uno por la manana y otro por la tarde. Ademas, se registran valores minimos durante las horas centrales (12:00-15:00), momento en el que disminuye el flujo vehicular en la ciudad y mejoran las condiciones de dispersion como consecuencia del establecimiento de un regimen de brisa de mar.

[FIGURA 3 OMITIR]

En las figuras 4 y 5 se compara la concentracion promedio horaria para cada dia de la semana de los oxidos de nitrogeno, NO y N[O.sub.2], registrada en la estacion de Abanto, Mazarredo y Valderejo para el ano 2012.

[FIGURA 4 OMITIR]

[FIGURA 5 OMITIR]

Se aprecian dos maximos diurnos durante las horas de la manana, que oscilan entre las 5:00 hasta las 12:00, y por la tarde desde las 13:00 hasta las 17:00; los minimos se presentan durante la noche, entre las 22:00 hasta las 5:00 de la madrugada. Se registran niveles mas altos durante los dias laborables que disminuyen en el fin de semana tanto en la estacion de Mazarredo como en la estacion de Abanto. Ademas se observan promedios altos de estos contaminantes en la zona industrial en comparacion con otros anos, indicando la contribucion de alguna fuente cercana en esta area.

El ozono se genera en la atmosfera por reacciones fotoquimicas, favorecidas por el desplazamiento del equilibrio fotoestacionario, que se alcanzan con los oxidos de nitrogeno (NO y N[O.sub.2]), cuando intervienen los radicales hidroxilo e hidrocarburos [4], [5], [6]. En la Figura 6 se muestra la evolucion horaria para cada dia de la semana de la concentracion promedio de ozono obtenida en Muskiz, Mazarredo y Valderejo para el ano 2012.

[FIGURA 6 OMITIR]

El ozono presenta una variacion diurna tipica con valores maximos durante las primeras horas de la tarde, entre las 13:00 y las 17:00, y valores minimos durante a primeras horas de la manana, que estarian entre las 6:00 y las 8:00, coincidiendo con la emision reciente de contaminantes primarios. Se aprecia un ligero aumento de la concentracion promedio para los fines de semana en zonas urbanas e industriales, que es consecuencia directa de la menor emision de NO durante estos periodos. A este fenomeno se le ha llamado en la bibliografia el "efecto de fin de semana". En la estacion de Valderejo este efecto no se observa, sino mas bien ligeramente el contrario del mismo, ya que en este lugar la afluencia de vehiculos, aunque nunca muy grande, es un poco mayor durante los fines de semana.

El dioxido de azufre debe su presencia en la atmosfera a las emisiones procedentes de la combustion de combustibles fosiles con azufre. Por lo tanto, las fuentes mas importantes de este contaminante son las combustiones industriales, calefacciones y refino de petroleo. En la Figura 7 se observa la evolucion horaria para cada dia de la semana de la concentracion promedio de dioxido de azufre obtenida en Abanto (area industrial), Mazarredo (area urbana) y Valderejo (area rural) para el ano 2012.

[FIGURA 7 OMITIR]

Este contaminante presenta un comportamiento irregular en la estacion industrial de Muskiz y Abanto, y para la estacion urbana de Mazarredo, con valores maximos en horas diurnas, coincidiendo con la direccion de las brisas de mar y valores minimos durante las 5:00 de la madrugada, cuando las brisas de tierra dirigen las emisiones hacia el mar. En la estacion de Mazarredo se llega a apreciar este mismo efecto, aunque menos marcado, por encontrarse la estacion mucho mas alejada de la fuente principal de S[O.sub.2] (refineria). Mientras tanto, en Valderejo se registran concentraciones ligeramente mas altas entre las 18:00 y las 23:00 de la noche, que van disminuyendo durante el dia, pero mostrando un cierto ciclo diario que se repite. Este ciclo se esta estudiando actualmente porque puede indicar que, especialmente en ciertas epocas del ano, la estacion de Valderejo parece no comportarse exactamente como una estacion de fondo rural, sino que presenta una incidencia apreciable de impactos antropogenicos, de los que el S[O.sub.2] podria considerarse como trazador.

En la Figura 8 se observa la evolucion horaria, para cada dia de la semana, de la concentracion promedio de la materia particulada en suspension con diametro aerodinamico inferior a 10 [micron]m ([PM.sub.10]), registrada en las estaciones de Abanto (area industrial), Mazarredo (area urbana) y Valderejo (area rural) para el ano 2012.

[FIGURA 8 OMITIR]

Se aprecia que las particulas con un diametro mayor de 2.5 [micron]m presentan un perfil diurno con dos valores maximos entre las 7:00 y las 11:00, debido al aumento del flujo vehicular, produciendo los contaminantes primarios, mientras los valores minimos se registran durante las 12:00 y las 14:00 horas del mediodia, y los fines de semana disminuyen las concentraciones respecto a las de los dias laborables. En la estacion de Valderejo los promedios son inferiores y no muestran un ciclo definido claro.

6. Conclusiones

Con el estudio de las evoluciones de los contaminantes convencionales se concluye que los oxidos de nitrogeno (NOx) y monoxido de carbono (CO) son emitidos, en mayor concentracion, en las horas con mayor flujo vehicular, indicando que para las horas pico es conveniente no respirar este aire contaminando porque presenta una fuente potencial de estos contaminantes primarios.

Las principales fuentes antropicas que contribuyen en mayor proporcion a la contaminacion de las zonas urbanas e industriales, emiten contaminantes primarios como los oxidos de nitrogeno, que se generan en la combustion de combustibles fosiles; dichos contaminantes son precursores de ozono ([O.sub.3]), formando atmosferas ricas en ozono troposferico.

Por otra parte, se aprecia como los contaminantes secundarios, como el Ozono Troposferico ([O.sub.3]), son transportados y depositados en otras areas de referencia consideradas de aire limpio (zonas rurales), generando un incremento en los niveles de concentracion de ozono ([O.sub.3]) que en datos historicos no se registraban.

Los niveles medios de ozono ([O.sub.3]) y material particulado ([PM.sub.10] - [PM.sub.2.5]) en areas rurales son muy superiores a los que corresponden a areas urbanas e industriales, poniendo de manifiesto la importancia de realizar estudios en estos emplazamientos que estan alejados de las fuentes antropogenicas.

Agradecimientos

Queremos agradecer al Departamento de Medio Ambiente, Planificacion Territorial, Agricultura y Pesca del Gobierno Vasco, por facilitarnos el acceso a datos meteorologicos y de calidad del aire; al Grupo de Investigacion Atmosferica de la Escuela Tecnica Superior de Ingenieros de Bilbao y al Grupo de Investigaciones Ambientales Agua, Aire y Suelo (Giaas), por su apoyo y ayuda durante la realizacion de esta investigacion.

Referencias

[1] Liakakou, E., Bonsang, B., Williams, J., Kalivitis, N., Kanakidou, M. & Mihalopoulos, N. (2009). C2-C8 NMHCs Over the Eastern Mediterranean: Seasonal Variation and Impact on Regional Oxidation Chemistry. Atmospheric Environment 43, 5611-5621.

[2] Whittaker, A., BeruBe, K., Jones, T., Maynard, R. & Richards, R. (2004). Killer Smog of London, 50 Years on: Particle Properties and Oxidative Capacity. Science of the Total Environmental 334-335, 435-445.

[3] WHO--World Health Organization. (2005). Guias de calidad del aire de la OMS relativas al material particulado, el ozono, el dioxido de nitrogeno y el dioxido de azufre. Actualizacion mundial. World Health Organization. htpp:// www.euro.who.int/Document/E87950.pdf. Ultima visita: mayo de 2015.

[4] Atkinson, R. (1997). Gas Phase Tropospheric Chemistry of Volatile Organic Compounds. 1. Alkanes and Alkenes. Journal of Physical Chemistry 26, 215-290.

[5] Carter, P. L. W. (2007). Development of the SAPRC-07 Chemical Mechanism and Updated Ozone Reactivity Scales. Final report to the California Air Resources Board Contract No. 03-318.

[6] Schwab, J. J., Spicer, J. B. & Demerjian, K. L. (2009). Ozone, Trace Gas, and Particulate Matter Measurements at a Rural Site in Southwestern New York State: 1995-2005. Journal of the Air & Waste Management Association 59, 3, 293-309.

[7] USEPA. United States Environment Protection Agency. (2009a). Definition of Volatile Organic (VOC). This document is available from the USEPA web site at: http://www.epa.gov/ttn/ naaqs/ozone/ozonetech/def_voc.htm. Ultima visita: noviembre de 2014.

[8] IPCC. Panel Intergubernamental sobre Cambio Climatico. (2002). Tercer Informe de Evaluacion: Cambio climatico 2001. La base cientifica. Resumen para responsables de politicas y Resumen tecnico. Parte de la contribucion del Grupo de trabajo I al Tercer Informe de Evaluacion. Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climatico. 2001. Editores: Houghton J. T., Ding, Y., Griggs, D. J., Noguer, M., Van der Linden P. J. and Xiaosu, D.

[9] IPCC. Panel Intergubernamental sobre Cambio Climatico. (2007). Cambio climatico 2013: Informe de sintesis. Contribucion de los Grupos de trabajo I, II y III al. Ultimo Informe de evaluacion del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climatico. [Equipo de redaccion principal: Pachauri, R.K. and Reisinger, A. (directores de la publicacion)]. IPCC, Ginebra, Suiza. https://www.ipcc.ch/pdf/ assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_sp.pdf Ultima visita: octubre de 2014.

[10] OMS. Organizacion Mundial de la Salud. (2005). Air Quality guidelines for Europe. Global Update 2005. Particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulphur dioxide. The regional Office for Europe. ISBN 92 820 2192. http://www. euro.who.int/__data/assets/pdf file/0005/78638/ E90038.pdf. Ultima visita: noviembre de 2014.

[11] USEPA. (1990). The Clean Air Act Amendments (CAAA). This document is available from the USEPA web site at: http://www.epa.gov/air/ caa/. Ultima visita: octubre de 2014.

[12] USEPA. United States Environment Protection Agency. (1996). Method 8000b. Determinative chromatographic separations. This document is available from the USEPA web site at: http:// www.epa.gov/epawaste/hazard/testmethods/ sw846/pdfs/8000b.pdf. Ultima visita: noviembre de 2014.

[13] USEPA. United States Environment Protection Agency. (1998). Technical Assistance Document for Sampling and Analysis of Ozone Precursors. EPA/600-R-989/161, issued by Natural Exposure. Research Laboratory. Research Triangle Park, NC 27711. This document is available from the USEPA web site at: http://www. epa.gov/ttn/amtic/files/ambient/pams/newtad. pdf. Ultima visita: noviembre de 2014.

[14] USEPA. United States Environment Protection Agency. (2009b). Data Analysis Techniques Using Hydrocarbon and Carbonyl Compounds. This document is available from the USEPA web site at: http://www.epa.gov/oar/oaqps/pams/ analysis/voc/voctect.htm. Ultima visita: noviembre de 2014.

JAROL DERLEY RAMON (1-2)

JACIPT ALEXANDER RAMON (1)

F. R. VALENCIA (2)

(1) Grupo de Investigaciones Ambientales Agua, Aire y Suelo (Giaas). Programa de Ingenieria Ambiental, Universidad de Pamplona, Colombia Ciudadela Universitaria. Pamplona, Norte de Santander, Colombia. Tel: 57-7-5685303. Fax: 57-7-5685303. Ext. 140. Correo electronico: jacipt@unipamplona.edu.co

(2) Departamento de Ingenieria Quimica y del Medio Ambiente. Escuela Tecnica Superior de Ingenieria de Bilbao, (UPV-EHU). C/Alameda de Urquijo s/n 48013, Bilbao, Espana. Tel. +34-946017297. Fax: +34 946014179. Correo electronico: jarol.ramon@unipamplona.edu.co.

Fecha de recepcion: 28/11/2014--Fecha de aceptacion: 30/06/2015.
Tabla 1. Metodos fisicoquimicos

Contaminantes           Metodo de medida

S[O.sub.2]              Fluorescencia pulsante de UV
N[O.sub.2]              Quimioluminiscencia
CO                      Absorcion de infrarrojo
Ozono                   Absorcion UV
Particulas Suspension   Atenuacion beta
                        Microbalanza de elemento oscilante

Fuente: elaboracion propia.
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Author:Derley Ramon, Jarol; Ramon, Jacipt Alexander; Valencia, F.R.
Publication:Revista El Hombre y la Maquina
Date:Jan 1, 2015
Words:3377
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