ANÁLISIS DE DATOS DE CALIDAD DEL AIRE EN LA CIUDAD DE MANIZALES UTILIZANDO MATLAB Y OPENAIR

ENTENDIMIENTO DE LOS FENÓMENOS

ANÁLISIS DE DATOS DE CALIDAD DEL AIRE EN LA CIUDAD DE MANIZALES UTILIZANDO MATLAB Y OPENAIR

Johana De La Paz Cortés Araujo1 Carlos Mario González Duque1

Angie Vanessa Arias Suns1 Mauricio Orozco Alzate3 Beatriz Helena Aristizábal Zuluaga1, 2

1. GRUPO DE TRABAJO ACADÉMICO EN INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL 2. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA 3. DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA Y COMPUTACIÓN UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES

RESUMEN

En este capítulo se aplicaron las herramientas computacionales MATLAB y el lenguaje R (mediante su librería Openair), al análisis de variables de calidad del aire y la influencia de variables meteorológicas para la ciudad de Manizales. Específicamente se muestra como caso de estudio el análisis de los datos de material particulado menor a 10 micrómetros de diámetro (PM10) generados en tres estaciones de monitoreo de la red de calidad del aire de Manizales, durante el periodo comprendido entre enero de 2010 y diciembre de 2012. Las estaciones seleccionadas estuvieron asociadas a una estación meteorológica y se encuentran ubicadas en lugares estratégicos de la ciudad, representando la zona del centro histórico (estación Liceo), el centro geográfico (estación Palogrande) y la zona sur oriental (estación Nubia).

La aplicación de estas herramientas permitió comprobar que los datos de material particulado generados durante el periodo de análisis se encuentran dentro de un rango estadísticamente satisfactorio según los resultados del análisis de cajas. Los registros medios anuales obtenidos para PM10, se encuentran por debajo de los límites establecidos en la normativa colombiana; sin embargo, al compararlos con límites internacionales, las estaciones de monitoreo presentaron

valores medios anuales por encima de los recomendados por la Organización Mundial de la Salud. La influencia de emisiones por fuentes móviles se evidenció como uno de los factores principales en los niveles de exposición por material particulado en la ciudad.

El análisis de variables meteorológicas y su asociación con el PM10 evidenció el fenómeno de lavado atmosférico (scavenging) asociado a la depuración atmosférica de PM10 por acción de la lluvia en Manizales. Finalmente, fue verificada la estabilidad atmosférica de la ciudad (ligeramente inestable) mediante la distribución de los niveles de PM10 respecto a la radiación solar y la velocidad viento. Esta última variable meteorológica, a pesar de presentar valores bajos (promedio) en la ciudad, está sujeta a una dinámica diurna y nocturna diferente debido al cambio de dirección predominante del viento del día a la noche.

Palabras clave: Material particulado (PM10), Openair, MATLAB, calidad del aire, variables meteorológicas.

INTRODUCCIÓN

La contaminación del aire se define como la alteración causada por la presencia de gases en la atmósfera, o partículas sólidas o líquidas en suspensión, en proporciones distintas a las naturales que pueden poner en peligro la salud del hombre, el bienestar de las plantas y animales, atacar diferentes materiales, reducir la visibilidad o producir olores nocivos. Las emisiones de contaminantes al aire, producto de fuentes antrópicas y naturales, han sido estudiadas debido a su importancia en los cambios climáticos y las afecciones que causan a la calidad de vida de la población, así como el desequilibrio de los ecosistemas (Ramanathan y Feng, 2009).

Según el documento CONPES 3550, uno de los contaminantes de mayor peligrosidad y al cual se le ha prestado mayor interés a nivel mundial es el material particulado. Se estima que la contaminación del aire, debida principalmente al material particulado, afecta la salud de 80 millones de personas en América Latina y el Caribe. En Colombia, alrededor de 6000 muertes anuales y 7400 nuevos casos de bronquitis crónica anuales se atribuyen a la calidad del aire en exteriores; más del 30% de estos casos se presentan en Bogotá y más del 20% en ciudades con menos de un millón de habitantes, donde se incluye la ciudad de Manizales (CONPES, 2008). Manizales es una ciudad intermedia, ubicada en la vertiente occidental de la Cordillera Central, con una población aproximada de 380000 habitantes en su área urbana. Para Manizales el estudio de temas relacionados con la contaminación atmosférica y la calidad del aire es importante, debido a factores representativos de la ciudad tales como una alta densidad poblacional y vehicular, altos contenidos de azufre en el combustible y la cercanía del volcán Nevado del Ruiz, ubicado a 27 km del área urbana: una fuente constante de gases azufrados y emisiones de cenizas en periodos de alta actividad volcánica. Adicionalmente, el estudio de los fenómenos de dispersión de contaminantes atmosféricos como el material particulado y la relación existente con las variables meteorológicas toma relevancia para la ciudad, debido a sus características topográficas extremas, su altitud (2150 msnm) y condiciones climáticas como altos niveles de precipitación (2000 mm/año) y la presencia de microclimas (Cortés, 2010).

Actualmente, la ciudad cuenta con una red de monitoreo de calidad del aire que brinda información sobre material particulado (uno de los contaminantes de mayor importancia en el tema de

19 contaminación atmosférica a nivel urbano). Sumado a esto, la ciudad cuenta con una red de monitoreo de variables meteorológicas, las cuales son un complemento importante a la hora de realizar un análisis completo sobre la dinámica de los diferentes contaminantes del aire. Según la Organización Panamericana de la Salud, OPS (2005), las variables meteorológicas tienen un papel importante en la calidad del aire, ya que el transporte y dispersión de los contaminantes emitidos dependen de las condiciones atmosféricas presentes. Diversos estudios han puesto de manifiesto la influencia de variables meteorológicas como la precipitación, humedad relativa, temperatura, velocidad del viento y radiación solar, sobre la dinámica y los niveles de exposición al material particulado; a través de fenómenos de remoción por vía húmeda (scavenging), procesos de resuspensión y movimientos verticales asociados a las condiciones de estabilidad atmosférica (Seinfeld and Pandis 2006; Zoras et al. 2006).

En este sentido, resulta de gran utilidad contar con herramientas computacionales que permitan realizar un análisis y manejo adecuado de la información meteorológica y de calidad del aire. Esto permite comprender a fondo la problemática de la contaminación atmosférica a nivel local y regional, entender los fenómenos de dispersión y dinámica de los contaminantes atmosféricos, identificar fuentes de contaminación locales y regionales, determinar zonas críticas de contaminación, evaluar el cumplimiento de normativa ambiental, evaluar tendencias y posibles escenarios, así como la generación de conocimiento con posible aplicación en temas más avanzados como por ejemplo, la aplicación de modelos de dispersión de los contaminantes. La correcta aplicación de herramientas que permitan realizar un análisis confiable de los datos resulta de gran utilidad y se convierte en un insumo de gran importancia tanto para la autoridad ambiental como para la comunidad científica.

Según González (2012), el aporte que pueden realizar los diversos estudios enfocados a contaminantes como el material particulado, teniendo en cuenta su monitoreo, análisis espacio- temporal y relación con variables meteorológicas que influyen en su comportamiento (precipitación, velocidad y dirección de vientos, radiación solar entre otras), es fundamental para el desarrollo de las ciudades, la protección de la población, promover los vínculos interinstitucionales y contribuir al entendimiento de temas de importancia científica como la contaminación atmosférica. Por lo tanto, el conocimiento y aplicación de técnicas de análisis de datos mediante el uso de herramientas incluidas en software computacionales, se convierte en un instrumento fundamental para garantizar un correcto y completo análisis en el tema de calidad del aire para las diferentes ciudades.

El presente capítulo tiene como objetivo aplicar herramientas computacionales como MATLAB y el lenguaje R (mediante su librería Openair), al análisis de variables de calidad del aire y la influencia de variables meteorológicas para la ciudad de Manizales. Específicamente, se muestra como caso de estudio la aplicación de las principales herramientas que brindan estos programas, al análisis de los datos generados en la red de calidad del aire para material particulado menor a 10 micrómetros de diámetro (PM10) durante el periodo comprendido entre enero de 2010 y diciembre de 2012. Se analizaron principalmente las asociaciones entre las variables meteorológicas y el material particulado tanto para relaciones simples como aquellas en las que interviene más de una variable meteorológica. Sumado a esto, se realiza un análisis general de la distribución temporal del PM10 en las estaciones de monitoreo objeto de estudio.

GENERALIDADES

Material particulado o PM (por sus siglas en inglés), es el término para las partículas presentes en el aire, tales como polvo, suciedad, hollín, humo y finas gotas de agua; las cuales pueden estar en la atmósfera, ya sea por una fracción pequeña de tiempo o largos periodos (días o semanas). Algunas partículas son grandes o lo suficientemente oscuras para ser vistas en forma de hollín o humo, otras son tan pequeñas que individualmente sólo pueden ser detectadas con un microscopio electrónico (EPA, 2009). Una característica importante en el material particulado es su tamaño, del cual depende la vida media de suspensión en la atmósfera y está asociado con el riesgo sobre la salud humana. Las partículas con diámetro menor a 10 micrómetros (PM10) son de especial interés ya que tienen la capacidad de ingresar al sistema respiratorio y ocasionar problemas en la salud que van desde asma, tos, dificultad para respirar, hasta infartos no letales y muertes prematuras en personas con problemas cardiacos (González, 2012; Palacio, 2006). Dentro de la clasificación del PM10 se diferencia la fracción fina, caracterizada por partículas con diámetros menores a 2.5 micrómetros (PM2.5) y la fracción gruesa, en la cual se encuentran las partículas con diámetro superior a 2.5 micrómetros. Debido a su pequeño tamaño, las partículas que hacen parte de la fracción fina (aproximadamente 1/30 del ancho del cabello humano) revisten una alta peligrosidad ya que pueden alojarse directamente en los pulmones, generando un mayor riesgo para la salud humana (EPA, 2009).

Entre las principales fuentes de PM10 se encuentran las operaciones de molienda, triturado y tamizado y el polvo de los caminos pavimentados y no pavimentados. Otros tipos de partículas se pueden formar en el aire a partir de la transformación química de los gases. Estas son formas indirectas cuando los gases procedentes de la quema de combustibles reaccionan con la luz solar y el vapor del agua (EPA, 2009).