Tesis doctoral de Noemí Pérez Lozano
La cuenca del mediterráneo occidental se caracteriza por una topografía abrupta y una compleja dinámica atmosférica y procesos meteorológicos que inducen a la recirculación de masas de aire con el consiguiente envejecimiento y acumulación de contaminantes a escala regional. Estas recirculaciones, junto con una baja precipitación, una alta intensidad de radiación solar que favorece procesos fotoquímicos atmosféricos, y una dinámica convectiva que favorece la resuspensión del suelo, inducen un patrón estacional del material particulado atmosférico (pm) que se caracteriza por un alto fondo regional en verano. Las intrusiones de polvo desde el norte de áfrica contribuyen también a aumentar los niveles de aerosoles en verano. Estas características, junto con las importantes emisiones antropogénicas de la costa mediterránea (originadas principalmente en zonas densamente pobladas, grandes polígonos industriales, transporte, agricultura e incendios forestales, entre otros) dan lugar a un escenario con una fenomenología compleja del aerosol atmosférico, con emisiones primarias naturales y antropogénicas, formación y transformación de aerosoles secundarios y una importante interacción entre aerosoles y gases contaminantes. se ha realizado un estudio detallado de los niveles y composición de pm medidos simultáneamente en diferentes ambientes a escala regional en la cuenca del mediterráneo occidental, con el fin de entender las fuentes, propiedades, y patrones de transformación y transporte de aerosoles troposféricos en este ámbito. En esta dirección, la medida de los niveles y caracterización química de pm10, pm2.5 y pm1 (concentración en masa de partículas más finas de 10, 2,5 y 1 micra) se ha llevado a cabo en tres estaciones de monitoreo: montsec (msc, fondo continental a 1570 m.S.N.M.), Montseny (msy, fondo regional, 720 m.S.N.M.) Y barcelona (bcn, fondo urbano, 68 m.S.N.M.). Además, los niveles de concentración en número de partículas (n) y el coeficiente de absorción o carbono negro (black carbon, bc) fueron monitoreados en bcn, con el fin de evaluar la influencia del tráfico rodado en los niveles de partículas ultrafinas de la atmósfera urbana. Por otra parte, se realizó un estudio meteorológico detallado para cada sitio, con el objetivo de comprender los procesos atmosféricos que afectan a los aerosoles. algunos estudios sobre la caracterización de pm han sido realizados anteriormente en la cuenca del mediterráneo occidental. A fin de proporcionar una nueva visión, esta es la primera vez que el muestreo y caracterización de aerosoles se ha realizado en un sitio remoto en esta zona simultáneamente con ambientes regional y urbano. Además, esta es la primera vez que la caracterización química de pm1 y la monitorización continua y simultánea de n y bc se llevan a cabo en esta zona. se han realizado estudios detallados para la zona urbana, el fondo regional y el continental y se han presentado por separado. A continuación, se ha llevado a cabo una intercomparación de los datos simultáneos registrados en los tres sitios, a fin de discutir las principales fuentes y características de los aerosoles atmosféricos en la cuenca del mediterráneo occidental y estimar, en la zona urbana, las contribuciones regionales y externas a los aerosoles en la región. la variabilidad de los aerosoles atmosféricos en la cuenca del mediterráneo occidental se rige por diversas emisiones antropogénicas y naturales y la concatenación de diferentes escenarios meteorológicos, que afectan a los niveles, la composición y la distribución de tamaños del material particulado atmosférico. A partir de estudios anteriores, se han considerado los siguientes escenarios: condiciones de advección atlántica, episodios de intrusión de polvo de áfrica, episodios de recirculación regional de verano, episodios de transporte de masas de aire de europa y el mediterráneo, y episodios anticiclónicos de invierno. La distribución estacional de estos episodios, junto con los patrones típicos del clima de la cuenca del mediterráneo occidental da lugar a un marcado patrón estacional para el fondo de pm. Además, las emisiones locales se superponen a este patrón de fondo. La dinámica atmosférica en msy y msc (regida principalmente por las circulaciones de brisas) regula la evolución diaria de los niveles de pm, transportando las masas de aire y aumentando los niveles de pm en zonas elevadas. En bcn, la variabilidad diaria de los aerosoles atmosféricos y gases contaminantes está muy influenciada por las emisiones del tráfico y también por la meteorología (principalmente brisas mar-tierra). los niveles medios anuales de pm10, pm2.5 y pm1 (para el conjunto de datos simultáneos medidos en 2006-2007) fueron 40, 27 y 19 µg m-3, respectivamente, en bcn, 15, 11 y 9 µg m-3 en msy y 17, 12 y 7 µg m-3 en msc. Las mayores diferencias entre el fondo urbano y las zonas rurales se observaron durante el invierno, siendo los niveles más similares durante el verano. Las diferencias se deben a los escenarios meteorológicos que prevalecen durante cada temporada. durante el invierno, la frecuente estabilidad atmosférica anticiclónica induce el estancamiento de las masas de aire que, junto con las emisiones del tráfico, producen importantes episodios de contaminación en bcn. Sin embargo, esta estabilidad atmosférica deja msy y, más frecuentemente msc, aislados de la contaminación regional durante varios días. En determinados escenarios, el crecimiento de la capa límite y el desarrollo de brisas de la montaña, activados por la radiación solar, resulta en el transporte de las masas de aire contaminado acumuladas en el valle a las estaciones rurales, aumentando notablemente los niveles de pm, a ritmos diferentes en función de la altitud y la distancia a las zonas de origen. Estos escenarios impactan con frecuencia en msy, incrementando marcadamente los valores horarios de pm1 (compuesto principalmente de compuestos de carbono y nitrato amónico), incluso más que en bcn debido a la interacción entre los contaminantes durante el transporte. Dada su altitud, msc se encuentra frecuentemente aislada de la contaminación regional. Sin embargo, cuando los episodios de pm1 son persistentes las masas de aire contaminado también pueden llegar a zonas distantes como msc. durante el verano, la circulación de las brisas favorece la dispersión atmosférica, el transporte, la recirculación y el envejecimiento de contaminantes a escala regional, reduciendo las diferencias entre el fondo urbano y las zonas rurales. Se midieron concentraciones similares de los componentes principales (compuestos carbonosos, aerosoles inorgánicos secundarios, materia mineral) de pm10 en msy y msc. Durante esta estación, los niveles de pm y sus componentes principales son más altos en bcn con respecto a las estaciones rurales, pero las diferencias no son tan marcadas como en invierno. Sin embargo, cabe señalar que los niveles medios de sulfato durante los episodios de recirculación regional son similares en los tres sitios, demostrando el origen regional de este compuesto y la importante mezcla atmosférica durante estos eventos. El aumento de los niveles de materia mineral durante el verano en las zonas rurales es debido a una favorecida resuspensión del polvo por el efecto de brisas y escasas precipitaciones, y a una mayor frecuencia de episodios de intrusión de masas de polvo africano. Este aumento es más significativo en el msc dado el mayor impacto de los episodios de polvo africano a mayores altitudes y la resuspensión de polvo local favorecida por el viento. las intrusiones de masas de aire desde el norte de áfrica incrementan notablemente los niveles de las fracciones gruesas de pm en la cuenca del mediterráneo occidental, dando lugar a la superación de los valores límite diarios establecidos para pm10. Sin embargo, en bcn, este aumento no puede atribuirse exclusivamente al polvo africano, debido a las importantes emisiones de polvo de carretera por el tráfico. En las estaciones rurales, casi todos los casos de superación registrados fueron causados por las intrusiones africanas, siendo el impacto mucho más alto en el msc. Las contribuciones africanas a los niveles medios anuales de pm10 durante el bienio 2006-2007 se han estimado como 2.1, 0.6 y 1.4 µg m-3 en bcn, msy y msc, respectivamente. El aumento en los niveles de materia mineral se ha cuantificado en 1.3, 0.5 y 1.1 µg m-3 para bcn, msy y msc, respectivamente. La diferencia observada entre el aumento en los niveles de pm10 y el aumento en los niveles de materia mineral atribuido a las intrusiones africanas puede deberse a la formación de aerosoles secundarios favorecida por la presencia de altas concentraciones de polvo mineral. se han llevado a cabo estudios de contribución de fuentes (análisis de componentes principales (pca) y factorización de matriz positiva (pmf)) con todos los datos disponibles, de forma individual para todas las estaciones, y también para los datos medidos simultáneamente en bcn, msy y msc durante el período 2006-2007. Los resultados obtenidos en el estudio simultáneo mostraron cinco fuentes de aerosoles comunes a escala regional, representantes de la región de estudio: materia mineral, sulfato amónico + combustión de fuel oil, nitrato amónico, aerosoles envejecidos (aerosol marino + aerosoles secundarios) y una fuente de tráfico + marcadores industriales, que tienen su principal contribución en el fondo urbano. La mayor contribución al pm10 en bcn está relacionada con el tráfico (50% del total de pm10), resultante de las emisiones de tráfico primario (29%), nitrato secundario (9%) y también otros aerosoles secundarios (13%), aunque este último puede atribuirse en parte a otras fuentes. Otra fuente urbana identificada es el polvo antropogénico (13%), que puede ser emitido por el tráfico en una parte importante (resuspensión de polvo de carretera por vehículos), pero también por la resuspensión del viento o emisiones de obras (construcción y demolición). El sulfato amónico tiene también una importante contribución urbana (6%). La contribución regional al pm10 en la zona urbana (25%) está compuesta principalmente de polvo mineral, sulfato y nitrato amónico. Por último, el polvo africano (1%) y el aerosol marino (5%) presentan proporciones bajas en el fondo urbano. En msy y msc, las principales fuentes son la materia mineral y el sulfato secundario. El nitrato secundario es una fuente muy importante en msy, pero tiene una relevancia menor en msc. La contribución del polvo africano es ligeramente superior en el msc. la variabilidad de los diferentes parámetros de medición de aerosoles (n, bc, pm10, pm2.5 y pm1) y gases contaminantes se ha estudiado en el fondo urbano de bcn. La variabilidad horaria de todas las métricas de aerosoles y gases contaminantes registrados está muy influenciada por las emisiones de tráfico y la meteorología (especialmente por la evolución de las brisas). Los niveles de pmx, n, bc, co y nox se incrementan notablemente durante las horas punta de tráfico, reflejando las emisiones directas. A mediodía, los niveles de la mayoría de los parámetros disminuyen debido a la reducción de las emisiones del tráfico y al proceso de dilución debido a los cambios de dirección y velocidad del viento y el crecimiento de la capa de mezcla. Sin embargo, algunos parámetros no se rigen solamente por las emisiones del tubo de escape del tráfico. Por ejemplo, pm2.5-10 sigue siendo elevado durante todo el día debido a los procesos de resuspensión del polvo de carretera, pero también tiene aportes de otras fuentes (resuspensión de polvo por el viento). Los niveles de pm1-2.5 y pm1 aumentan durante las horas punta de tráfico, pero también por la noche, cuando la disminución de la capa de mezcla favorece los procesos de condensación y coagulación, y por consiguiente los niveles de n disminuyen, y los niveles de las fracciones finas de pm aumentan. Además de los picos de tráfico, los niveles de n muestran un segundo pico, pero muy importante al mediodía, reflejando la variación de la intensidad de la radiación solar, que puede ser atribuido a la formación de partículas ultrafinas por procesos de nucleación fotoquímica de gases precursores. Este pico aparece cuando los niveles de bc (emisiones primarias) son muy bajos. Por lo tanto, n está influenciado por emisiones directas de partículas ultrafinas, y también en una fracción muy importante por la formación de partículas secundarias mediante procesos fotoquímicos. las series temporales obtenidas en este estudio se completaron con datos procedentes de estudios anteriores con el fin de estudiar tendencias temporales. La influencia de las emisiones del tráfico por carretera en los niveles de partículas finas en el fondo urbano se refleja en los niveles medios anuales de pm1, que muestran una tendencia creciente interanual significativa de 2003 a 2007, y una buena correlación con el aumento progresivo en el parque de vehículos y el crecimiento de la flota diesel en barcelona. Sin embargo, las fracciones más gruesas mostraron una tendencia decreciente en bcn y msy, que puede atribuirse a causas meteorológicas y a la frecuencia e intensidad de las intrusiones africanas, pero que también podría estar relacionada con cambios temporales en las emisiones antropogénicas, como el tráfico rodado o emisiones industriales. Así, se observó una tendencia decreciente en los niveles de algunos marcadores industriales y de tráfico en bcn y msy. Con el fin de identificar tendencias en las fuentes de aerosoles, se aplicaron estudios de contribución de fuentes (pca y pmf) a la serie temporal completa obtenida. Como resultado, la fuente industrial obtenida en bcn presenta una tendencia decreciente desde 2003 hasta 2007. la variedad de fuentes y factores que afectan la variabilidad de los contaminantes atmosféricos en la cuenca del mediterráneo occidental hace que el monitoreo simultáneo de diversos parámetros sea necesario para comprender mejor las fuentes de emisión, transformación o procesos de transporte a fin de poder establecer técnicas eficaces de reducción de emisiones. Los resultados también muestran que el control de pm1 (modos de nucleación y acumulación) o bc, que proporcionan información sobre las contribuciones de procesos de combustión, y el pm10 que aporta información sobre la combustión y además sobre aerosoles generados mecánicamente, puede ser una estrategia mejor que la combinación de las medidas de pm2.5 y pm10, como estándares de calidad del aire. el monitoreo paralelo de aerosoles en los fondos urbano, regional y continental ha sido una estrategia útil para entender la fenomenología de los aerosoles en la cuenca del mediterráneo occidental. Dadas las características meteorológicas de esta zona, las emisiones urbanas e industriales, concentradas en las zonas costeras, tienen un impacto considerable en los niveles y composición de pm en las zonas rurales y remotas situadas a diferentes alturas, tanto en verano, con una importante recirculación atmosférica y mezcla de masas de aire a escala regional, y durante el invierno, con el transporte de contaminantes antropogénicos activado por las brisas. La gran contribución de las emisiones urbanas y el transporte de masas de aire a escala regional demuestran la importancia de elaborar y aplicar estrategias de reducción de emisiones para el tráfico, a fin de mejorar la calidad del aire de manera eficiente en la zona de estudio, no sólo a nivel local, sino también a escala regional.
Datos académicos de la tesis doctoral «Variability of atmospheric aerosols at urban, regional and continental backgrounds in the western mediterranean basin«
- Título de la tesis: Variability of atmospheric aerosols at urban, regional and continental backgrounds in the western mediterranean basin
- Autor: Noemí Pérez Lozano
- Universidad: Autónoma de barcelona
- Fecha de lectura de la tesis: 13/07/2010
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Xavier Querol Carceller
- Tribunal
- Presidente del tribunal: roberta Vecchi
- nuria Galindo corral (vocal)
- (vocal)
- (vocal)