Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey
Campus Monterrey
Monterrey, Nuevo León a 24 de enero de 200 5_.
Lic. Arturo Azuara Flores:
Director de Asesoría Legal del Sistema
Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra titulada "UNA
METODOLOGÍA PARA ESTUDIAR LA DISPERSIÓN DEL PM10 EN MONTERREY".
en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución y reproducción, así como la digitalización de la misma, con fines académicos o propios al objeto de EL INSTITUTO.
El Instituto se compromete a respetar en todo momento mi autoría y a otorgarme el crédito correspondiente en todas las actividades mencionadas anteriormente de la obra.
Una metodología para estudiar la dispersión del PM10 en
Monterrey-Primera edición
Title Una metodología para estudiar la dispersión del PM10 en Monterrey-Primera edición
Authors Cardona Carrizalez, Juan Manuel
Issue Date 1999-07-01
Abstract Gerardo M. Mejía V., Ph.D., Asesor.
Item type Tesis
Rights Open Access
Downloaded 19-Jan-2017 03:48:04
INSTITUTO TECNOLOGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE
MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISION DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERIA
UNA METODOLOGIA PARA ESTUDIAR LA DISPERSION DEL PM10 EN
MONTERREY
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADEMICO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
ESPECIALIDAD EN INGENIERIA AMBIENTAL
PRESENTA
JUAN MANUEL CARDONA CARRIZALEZ
INSTITUTO TECNOLOGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE
MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISION DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERIA
Los miembros del Comité de Tesis recomendamos que Ia presente Tesis del Ingeniero Quimico Juan Manuel Cardona Carrizalez, sea aceptada coma requisito parcial para obtener eI grado académico de Maestro en Ciencias con Especialidad en:
INGENIERIA AMBIENTAL
Dedicatoria
DEDICATORIA
A la memoria de mi hermana Maria Araceli que fue llamada recientemente por el Señor.
A mis padres:
For su amor, apoyo y comprensión en los momentos más d~Jicilesde mi vida.
Los quiero mucho.
A mis hermanos:
José Refugio, José Luis, Rosa Elena, José Eleno, Santos y Nayelli por sus muestras de apoyo y cariño.
Gracias por todo,
A Olga:
For su apoyo, amor y comprensión en esta tan d~flciletapa de mi vida..
Te quiero mucho.
Agradecimientos
AGRADECIMIENTOS
A lo largo de mi preparación académica hubo gente que me motivO a superarme para enfrentar con mejor expectativa Ia vida. Palabras de aliento, conocimientos, amistad y hasta apoyo económico son algunas de las cosas que recib!. Por tal motivo deseo agradecer a todas aquellas personas que de alguna u otra forma contribuyeron a mi superaciôn académica.
• A mi asesor Dr. Gerardo Mejia Velazquez por Ia confianza que me otorgo al contratarme como Asistente de InvestigaciOn, por Ia beca proporcionada y por el apoyo que me dio durante el tiempo que trabajé con éI.
• A mi sinodal de tesis Dr. Fabian Lozano por su asesorla y eI apoyo proporcionado para Ia realización de Ia tesis.
• Mi agradecimiento a los ingenieros Luis Alonso Gonzalez, Alfonso Ramos, Samuel Mayorga y Jaime Colunga por alentarme a realizar estudios de posgrado y por el apoyo recibido en los momentos más difIciles. A Perlita Colunga por su entusiasmo y apoyo en todo momento.
• A los companeros del Laboratorlo de Sistemas de lnformación Georreferenciada Julie, Santiago, Sandra, Jorge y Nora que me auxiliaron en elaboraciOn de las imágenes de Ia tesis.
• A mis companeros del Laboratorio de Modelaciôn Ambiental Karla, Rosy y Rafael Arellano por su ayuda y apoyo en ml trabajo de tesis.
Agradecimientos
• A los amigos que coseché durante Ia maestria Nancy Mora, Elvia Cosmes, Marco Antonio Martinez, Hector Soto, Hector Duarte, Marco Gômez y Miguel Angel Zavala por compartir conmigo su amistad y companerismo en los buenos y malos momentos.
• Un agradecimiento muy especial a mi gran amigo y sinodal de tesis M.C. Roberto Zamudio Muñoz por su amistad, apoyo incondicional y companerismo.
• Mi agradecimiento a mis amigos de licenciatura Ivonne, Julieta, Alfredo, Irene, y Marichuy por su amistad y apoyo en los Ultimos años.
• Al Ing. Jaime Valle Méndez por el apoyo proporcionado para estudiar Ia maestrIa.
• Al profesor Gaudencio Medellin por su valioso apoyo y aliento durante mis estudios de preparatoria y licenciatura.
Resumen
RESUMEN
En los Ultimos anos el Area Metropolitana de Monterrey (AMM) ha tenido un gran desarrollo urbano e industrial. Existen más de 9 mil industrias además de los establecimientos comerciales y de servicios. La poblacion es mayor a 3 millones de habitantes y crece en forma acelerada a un ritmo de un 3% anual. Tiene una flota vehicular de 468 mu autos particulares y 161 mil camiones de transporte y carga.
Todos estos factores han deteriorado y alterado LA calidad del aire, ocasionando que se eleven las concentraciones de los contaminantes por encima de los máximos permisibles por las normas de calidad del aire. De 1993 a 1998 las partículas menores a 10 micras (PM10) es el contaminante que ha presentado más violaciones a Ia norma de calidad del aire con un total de 217 dias. Este contaminante tiene un origen diverso, siendo las fuentes el transporte, Ia industria, el sector servicios y las fuentes naturales. De acuerdo a los datos reportados en el inventario de emisiones de 1995 realizado por el INE, las fuentes naturales representan el 93.6% del total de emisiones existiendo, además, una gran incertidumbre acerca del transporte e impacto de las diferentes fuentes de PM10 a Ia atmósfera del AMM.
En este trabajo se presenta una metodologIa para estudiar Ia dinámica del PM10 de las diferentes fuentes de emisián que existen o que tienen un impacto en el AMM y airededores. La metodologia considera Ia localización geografica de las fuentes, los diferentes modelos de dispersion que pueden usarse para cada fuente y la integración de resultados en una base de datos manejada mediante un
Sistema de lnformación Geográfica.
Las partículas pueden tener un origen primario cuando son emitidas directamente por una fuente o actividad o bien secundario cuando se forman de otros contaminantes en Ia atmósfera. Por lo anterior, dependiendo de la fuente,
Resumen
diferentes modelos pueden ser usados para estudiar Ia dinámica del PM10 en Ia atmósfera. Para emisiones primarias pueden aplicarse, por ejemplo los modelos SCREEN3, CALPUFF, ISC3-ST y CALINE. Para estudiar Ia dinámica de particulas secundarias se necesitan modelos más avanzados los cuales están actualmente en desarrollo para ser incorporados a modelos fotoquimicos como el CIT o el UAM.
Como ejemplo de aplicación para Ia metodologia, se utilizó en modelo ISC3-ST para estudiar la dispersion de las fuentes en el AMM. Los datos de emisiones utilizados de Ia industria, eI transporte y el comercio son los registrados en el inventario de 1995. Las emisiones del PM10 de fuentes naturales son las que presentan mayor incertidumbre, por lo que las cantidades emitidas se calcularon mediante factores de emisión de partículas, los cuales consideran la cobertura vegetal, velocidad de viento, rugosidad de superficie y Ia altura de difusiôn. Las emisiones generadas por cada fuente fueron localizadas mediante un Sistema de
Información Geográfica. Los resultados obtenidos de dispersion se conjuntaron para todas las fuentes y así tener una imagen global del comportamiento de las emisiones de partículas en el area de estudio.
Contenido
CONTENIDO
CapItulo 1. Calidad del aire en eI Area Metropolitana de Monterrey
1.1 UbicaciOn Geográfica del Area Metropolitana de Monterrey 1 1.2 Condiciones Meteorologicas en el Area Metropolitana de Monterrey 2 1.3 Red de monitoreo del Sistema Integral de Monitoreo Ambiental (SIMA) 6 1.4 Análisis de los contaminantes monitoreados en el AMM 11 1.5 Problemática de Ia contaminaciOn del aire por particulas en el AMM 18
1.6 Objetivos 20
1.7 Justificación 21
1.8 Contenido de este trabajo 22
CapItulo 2. Generalidades sobre partIculas en el aire
2.1 ~,Quéson las particulas? 23
2.2 Origen de las particulas 24
2.3 Caracteristicas fisicas de las partIculas 27 2.4 Efectos de las particulas sobre Ia salud humana 33 CapItulo 3. MetodologIa para estimar las emisiones y Ia dispersion de las
diferentes fuentes de emisión de particulas y su aplicación al AMM
3.1 MetodologIa global 36
3.2 Area de estudio 39
3.3 ldentificacjôn de las fuentes de emisión de partIculas en el area
deestudio 41
3.4 Emisiones de las fuentes antropogénicas 47 3.5 Procedimiento para calcular las emisiones de fuentes naturales 49 3.6 EstimaciOn de Ia dispersion de Ia emisión de particulas 51 3.7 DistribuciOn temporal y espacial de las emisiones 51
Capitulo 4. Emisiones estimadas de PMIO de las fuentes naturales
4.1 Factores de emisiôn 53
4.2 Cálculo de parámetros del modelo del factor de emisiOn de
partIculas (PEF) 56
4.3 AplicaciOn del modelo para calcular el factor de emisiOn de
partIculas (PEF) para fuentes naturales 61
Contenido
CapItulo 5. Modelos de calidad del aire
5.1 Modelos atmosféricos de dispersion 66
5.2 RevisiOn de modelos de calidad del aire 70 CapItulo 6. Aplicación del modelo de dispersion para las diferentes fuentes
en el area de estudio
6.1 Estimaciôn de Ia dispersiOn de PMIO 82 6.2 AplicaciOn del modelo para fuentes naturales 83 6.3 AplicaciOn del modelo para fuentes industriales 86 6.4 AplicaciOn del modelo para las pedreras 91 6.5 Aplicaciôn del modelo para transporte y servicios 95 6.6 ConjunciOn de las emisiones de las diferentes fuentes en un SIG 95 6.7 Comparación entre Ia concentraciOn de PM1O monitoreada y Ia
obtenida de Ia simulaciôn 97
Capitulo 7. Conclusiones y recomendaciones
7.1 Conclusiones 103
7.2 Recomendaciones 104
REFERENCIAS 106
APENDICE A. Rosa de los vientos de las mediciones realizadas en las estaciones de monitoreo en el Area
Metropolitana de Monterrey 111
APENDICE B. Archivos de entrada para el modelo ISC3-ST para Ia
estimaciOn de Ia dispersiOn de PMIO en el area de estudio 117
VITA 149
Indice de tablas
INDICE DE TABLAS
labIa 1.1 Equipo de monitoreo de Ia calidad del aire en las estaciones fijas 8 Tabla 1.2 Equipo de monitoreo de Ia calidad del aire en unidad mOviI 11 labIa 2.1 Estimación de produccion global de particulas en el mundo en 1984 24 Tabla 2.2. Procesos industriales asociados a La emisiOn de particulas 26 labIa 3.1. Inventario de emisiones para el AMM 1995 (Ton/Año) 47 Tabla 3.2. lnventario de emisiones de 1995 de PMIO 48 labIa 3.3. Emisiones de PM1O de las operaciones de las pedreras 48 Tabla 4.1. Variación del parámetro F(x) con Ia velocidad del viento media
anual (Urn) 58
labia 4.2. Resultados de Ia prueba F 60
Tabla 4.3. Dimensiones y cubierta vegetal promedio de los poligonos
para el cálculo del PEF 62
labia 4.4. Datos que se utilizaron en el cálculo del factor de emisiôn de
PartIcuias 64
labIa 4.5. Resultados de Ia aplicaciOn de Ia ecuaciôn para el cálculo
del las emisiones de PM1O 64
Tabla 5.1. Ejemplo de un archivo de entrada para el ISC 76 labIa 6.1. Factor de emisiOn, flujo de emisión y emisiones de PMIO
para fuentes naturales en cada subarea 83 labIa 6.2. Principales parque industriales localizados en el AMM 89 Tabla 6.3. Pedreras Iocalizadas en el cerro de las Mitras 92 labIa 6.4. Concentracjones de PM1O monitoreado y obtenido de Ia
simulaciôn 97
Indice de figuras
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Velocidad promedio mensual de viento en las cinco estaciones de monitoreo de los anos de 1997 y 1998 3 Figura 1.2. Temperatura promedio mensual en el AMM en 1997 y 1998 4 Figura 1.3. RadiaciOn Solar medida en Ia estaciôn Sureste 5 Figura 1.4. Promedlo de 24 horas de Ia altura de capa de mezclado
en invierno y verano de 1997 6
Figura 1.5. UbicaciOn de las cinco estaciones de monitoreo
en al Area Metropolitana de Monterrey 8 Figura 1.6. Concentraciones de ozono en promedios mensuales 12 Figura 1.7. Concentraciones de NOx en promedios mensuales 14 Figura 1.8. Concentraciones de
SO2
en promedios mensuales 15 Figura 1.9. Concentraciones deCO en promedios mensuales 16 Figura 1.10. Concentraciones de PMIO en promedios mensuales 17 Figura 1.11. Horas sobre Ia norma de los diferentes contaminantesenelAMMde 1993 a 1998 19
Figura 3.1. Esquema global para el estudio de Ia emisión y dispersion
dePMlO 38
Figura 3 2 Esquema global para Ia conjuncion de emisiones del PM1O
en el area de estudio 39
Figura 3.3. Imagen satelital LANDSAT TM del area de estudio en Ia
cual se identifica Ia zona principal de fuentes naturales 42 Figura 3.4. lmagen satelital LANDSAT TM del area de estudio en Ia cual
se identifican las principales fuentes antropogenicas 43 Figura 4.1. Perfil logaritmico de Ia velocidad de viento 57 Figura 4.2. Comportamiento de velocidad media anual vs. F(x) 61
Indice de figuras
Figura 4.3. Division de Ia zona que ocupan las fuentes naturales
en subareas 63
Figura 6.1. Rosa de vientos del periodo del 22 de diciembre de 1997
al 22 de marzo de 1998 en Ia estación sureste (La Pastora) 84 Figura 6.2. Rosa de vientos del periodo del 22 de diciembre de 1997
al 22 de marzo de 1998 en Ia estación noreste (San Nicolés) 85 Figura 6.3. lsolineas de concentraciOn de PM1O porfuentes naturales 87 Figura 6.4. Ubicación de los parques industriales en el AMM 88 Figura 6.5. Rosa de vientos del periodo del 22 de diciembre de 1997
al 22 de marzo de 1998 en Ia estaciOn noreste (Obispado) 90 Figura 6.6. Isollneas de concentraciOn de PM1O porfuentes industriales 91 Figura 6.7. Rosa de vientos del periodo del 22 de diciembre de 1997
al 22 de marzo de 1998 en Ia estaciôn suroeste (S. Catarina) 93 Figura 6.8. IsolIneas de concentración de PM1O de las pedreras 94 Figura 6.9. Isolineas de concentraciOn de PM1O del transporte
y servicios 96
Fugura 6.10. Isolineas de concentración de PM1O de Ia conjuncion de todas
las fuentes 98
Figura 6.11. Comparacion entre Ia concentraciôn de PM1O monitoreada y Ia obtenida mediante Ia aplicaciOn del modelo de calidad del aire ISC3
Figura 6.12. Comparacion entre Ia concentración de PM1O monitoreada y Ia suma de Ia obtenida med iante Ia aplicaciOn del modelo de
calidad del aire ISC3 y Ia de atmOsfera limpia 100 Figura 6.13. Contribuciôn de cada tipo de fuente al total de PMIO estimado
porel modelo ISC3 en las estaciones de monitoreo 101
CAPITULO 1
CALIDAD DEL AIRE EN EL AREA METROPOLITANA DE
MONTERREY
En este capItulo se presenta un diagnóstico de Ia calidad del aire en el Area Metropolitana de Monterrey (AMM), desde que iniciô el monitoreo de los contaminantes en 1993 par
parte
del Sistema de Monitoreo Ambiental (SIMA). Se discute Ia problemática de los niveles de PM1O monitoreados en el AMM y sus violaciones a Ia norma. Finalmente se presentan los objetivos del presente trabajo y su justificación.1~1 Ubicación geográfica del AMM.
El Area Metropolitana de Monterrey se encuentra a una altura aproximada de 500 metros sabre el nivel del mar y está rodeada por Ia Sierra Madre Oriental, el Cerro de Ia SiIIa, el Cerro de las Mitras y el Cerro del Topo Chico. Estas elevaciones montañosas constituyen una barrera fIsica natural para Ia circulación del viento e impiden el desalojo del aire contaminado hacia el exterior de Ia zona.
Por su situación geografica, el AMM se hafla sujeta a ~a influencia de sistemas anticiclónicos procedentes del Golfo de Mexico que provocan una gran estabilidad atmosférica, inhibiendo el mezclado vertical del aire.
Cap/tub 1. Calidad del aire en el Area Metropolitana de Monterrey
12
Condiciones meteorológicas en el AMM.
Todos los contaminantes del aire emitidos par fuentes puntuales y distribuidas son transportados, dispersados o concentrados par las condiciones meteorolOgicas y topográficas. El ciclo de estancia aérea se inicia con Ia emisión de los contaminantes, seguido por su transporte y difusiOn en Ia atmOsfera [Wark,
1990].
En las regiones donde las condiciones topograficas y meteorologicas conducen a Ia acumulaciôn y concentraciOn de los contaminantes, como es el caso del AMM, los contaminantes pueden acelerar eI deterioro de los edificios y afectar Ia salud püblica, asi coma Ia vegetaciOn en el area.
La dispersion de un contaminante en Ia atmOsfera es el resultado de tres mecanismos dominantes: a) el movimiento media general del aire que transporta el contaminante en Ia dirección del viento; b) las fluctuaciones turbulentas de Ia velocidad que dispersan eI contaminante en todas direcciones, y c) Ia difusiOn de
masa debido a los gradientes de concentración [Peavy,1985].
1.2.1 Velocidad y dirección deviento.
En Ia Figura 1 .1 se muestra Ia intensidad del viento de los Ultimos dos años, se aprecia que Ia intensidad del viento disminuye durante los meses de diciembre y enero alcanzando velocidades promedio de 0.3 m/s, Ia cual provoca una disminuciOn en Ia dispersion de los contaminantes, agravando las condiciones atmosféricas en esta epoca del año. Par el contrario los meses de mayor intensidad en Ia velocidad del viento son junio y julio presentando valores promedio de hasta 4.0 rn/s.
El apéndice A muestra Ia rosa de vientos para las cinco estaciones de monitoreo en el AMM para los años de 1997 y 1998. En este apéndice puede observarse el patron de comportamiento de Ia direcciOn del viento e intensidad, y
Capitulo 1, Calidad del aire en eb Area Metropolitana de Monterrey
se deduce que Ia dirección dominante del viento es de este y del sureste, es decir de 900 y 1350 azimutales para la mayoria de las estaciones de monitoreo.
Durante los meses de invierno, los vientos provienen del Norte y Noroeste debido a las masas de aire frio que se presentan.
-Figura 1.1. Velocidad promedio mensual de viento en las cinco estaciones de monitoreo de los años de 1997 y 1998.
1.2.2 Temperatura Ambiente.
La temperatura en el AMM es extremosa, ya que en los meses de verano se presentan temperaturas que rebasan 30 ° C en promedio, y en invierno los
termômetros descienden hasta los 8 0 C en promedlo. Este factor juega un papel
importante en Ia dispersiOn de los contaminantes ya que influye sobre
Ia altura decapa de mezclado, de tal forma que al incrementarse Ia temperatura de Ia atmósfera, también lo hace Ia energIa cinética de las moléculas del aire y en consecuencia Ia altura de mezclado tiene un crecimiento mayor, de tal forma que
[image:17.606.178.498.185.475.2]Capitubo 1. Calidad del aire en el Area Metropolitana de Monterrey
entre mayor sea el alcance vertical, mayor será eI volumen disponible de Ia atmósfera para diluir Ia concentración de los contaminantes [Hemmond,1994].
[image:18.606.86.454.264.563.2]La Figura 1.2 muestra el comportamiento mensual de Ia temperatura en el AMM durante 1997 y 1998, en Ia cual se observa Ia extremoso de Ia misma. Hay que recordar que los valores representados en Ia figura son proniedios mensuales, par Ia tanto hay ocasiones en que Ia temperatura alcanza valores máximos diarios par encima de los 40°C en época de verano, y valores minimos diarios par debajo de los 0°C en Ia época irivernal.
Figura 1.2. Temperatura promedio mensual en el AMM en 1997 y 1998.
1.2.3 Radiación Solar.
El AMM está situada a una Iatitud de 25°N,por lo cual recibe una gran cantidad de radiaciOn solar, sobre todo durante los meses de verano. Esto provoca que Ia atmOsfera sea altamente reactiva en materia de formación de ozono a partir de los NOx y los HCT. La Figura 1.3 muestra el comportamiento de Ia radiación solar en Ia estación de monitoreo del sureste. Los valores máximos promedio se
Capitulo 1. Cal/dad del a/re en el Area Metropolitana de Monterrey
[image:19.606.148.559.83.417.2]alcanzan en el verano con valores de 0.45 langleys/min equivalentes a 314 Watt/m2, 10 que acelera Ia formación de ozone. Los valores minimos promedio de radiación solar se presentan en enero y diciembre con registros de 0.17 langleys/min equivalentes a 98 Watt/rn2.
Figura 1.3. Radiaciôn Solar medida en la estación Sureste. 1.2.4 Altura de La capa de mezclado.
El mezclado convectivo y turbulento ayuda mucho a Ia dispersiOn de los contaminantes en Ia atmOsfera baja. El alcance vertical a Ia que ocurre dicho mezclado, varia diariamente y de una estaciOn del año a otra y se le llama altura de Ia capa de mezclado. Su valor varla constantemente dependiendo de las condiciones del calentamiento del aire y de Ia velocidad del viénto, y además es función de Ia estabilidad atmosférica. En Ia Figura 1.4 se presenta un promedio de Ia altura de mezclado en el AMM para las 24 horas de invierno y verano de
1997.
Puede observarse que Ia capa de mezclado tiene una tendencia a incrementar conforme transcurren las horas del dia, para disminuir durante Ia noche. Los valores maximos promedlo alcanzados en estos periodos son de 1200
Cap/tub 1. Calidad del aire en el Area Metropolitana de Monterrey
m durante el verano y 500 m durante el invierno. Los valores niInimos promedio son de 25 m en invierno y 105 m en el verano. Esto se puede ver en
Ia figura en
donde Ia capa de mezclado presenta valores bajos en Ia época de frio, Ia
que
limita el mezclado de los contaminantes, y en epoca de calor normalmente el promedio de Ia altura de mezclado es mas alto,
Ia cual promueve el mezclado de
[image:20.606.52.483.227.716.2]los contaminantes.
Figura 1.4. Promedio de 24 horas de la altura de capa de
mezclado en invierno y verano de 1997.
1.3
Red de Monitoreo del Sistema Integral de Monitoreo
Ambiental (SIMA).
El Sistema Integral de Monitoreo Ambiental (SIMA) iniciO su operaciOn a partir
del
20 de Noviembre de 1992 con Ia finalidad de contar con informaciOn continua y fidedigna de los niveles de contaminaciôn ambiental en el AMM. Asi, desde esa fecha Ia poblaciOn es informada todos los dIas del año de Ia calidad del aire que se respira en el AMM. El SIMA fue concebido como una fuente deCapitubo 1. Cal/dad del a/re en el Area Metropolitana de Monterrey
información de las condiciones ambientales en el estado, por lo que apoya a las instituciones educativas y particulares con Ia transferencia de conocimientos a través de conferencias y visitas a su red de monitoreo ambiental. Además informa de los niveles de contaminaciôn que son medidos en Ia red de monitoreo
-ambiental. La red consta de cinco estaciones fijas de monitoreo ambiental, una unidad móvil de monitoreo y un sistema Sodar-Doppler para Ia mediciôn de las condiciones atmosféricas hasta una altura de 1500 metros, y especialmente para Ia detección de inversiones térmicas.
Las estaciones de monitoreo de Ia calidad del aire son cabinas cerradas que contienen instrumentas para Ia mediciOn de cinco diferentes contaminantes, sensores meteorolOgicos y sistemas para Ia adquisiciOn y manejo de datos. Funcionan de manera continua y automatica y su operaciOn se supervisa desde el centro de cOmputo del SIMA. Cada una de las estaciones cuenta con equipos para el análisis de monóxido de carbono, ôxidos de nitrOgeno, bióxido de azufre, ozono y partIculas menores a 10 micras (PM1O).
En Ia Figura 1.5 [INE, 1995] se muestra Ia ubicaciOn de cada una de las cinco estaciones de monitoreo de calidad del aire. La IocalizaciOn exacta de las estaciones de monitoreo se determinô considerando factores como: el tamaño del area a monitorear, Ia meteorologla local, Ia concentración humana, Ia topografIa de Ia zona, Ia dispersion de contaminantes y las consideraciones representativas de escalas para el objetivo especIfico de Ia red.
En cada estacion de monitoreo se lleva a cabo Ia medicion de velocidad y direcciOn del viento, temperatura, concentración de ozono, diOxido de azufre, monOxido de carbono, diOxidos de nitrOgeno y PM1O. Adicionalmente Ia estaciôn sureste cuenta con tres sensores meteorolOgicos adicionales para medir Ia presiOn atmosférica, Ia precipitación pluvial y Ia radiación solar.
Cap/tub 1. Cal/dad del aire en el Area Metropolitana de Monterrey
Figura 1.5. Ubicación de las cinco estaciones de monitoreo en al Area Metropolitana de Monterrey.
[image:22.606.132.440.79.328.2]En Ia Tabla 1.1 se enumera el equipo de mediciOn de las estaciones de monitoreo de Ia calidad del aire, asi coma el parámetro que mide. Los equipos mencionados en Ia tabla, trabajan en forma continua y automàtica después de su calibraciOn, reportando mediciones cada 5 minutos.
Tabla 1.1. Equipo de rnonitoreo de Ia calidad del aire en las estaciones fijas.
1.3.1 EstaciOn Sureste (La Pastora).
Está localizada en el parque La Pastora en el municipio de Guadalupe, viento abajo de un Iimitado corredor industrial en una zona altamente poblada. En
Cap/tub 1. Calidad del aire en el Area Metropolitana de Monterrey
esta estación los vientos predominantes que se monitorean provienen principalmente del este-sureste. La escala espacial es de vecindaria/urbana al igual que el resto de las estaciones de monitoreo, to que da una representatividad de un area de aproximadamente 10 kilómetros atrededor. Esta estaciôn no- está influenciada por grandes fuentes industriales y es un buen sitio representativo de los niveles de contaminación urbanos del sureste del AMM. La estaciOn es importante porque permite detectar el incremento en los niveles de calidad del aire de entrada al AMM de este a oeste.
1.3.2 Estación Noreste (San Nicolás).
Se encuentra ubicada en
Ia
colonia Unidad Laboral en San Nicolás de los Garza y está localizada viento abajo de un corredor industrial en un area altamente poblada. Aunque Ia estaciôn no está afectada directamente por una industria en particular, en ciertos episodios meteorolOgicos se ha detectadoIa
influencia de
a
planta termoeléctrica deIa
Comisión Federal de Electricidad. La estaciOn noreste es utilizada para determinar los impactos de las fuentes fijas enIa
parte norte del AMM.
1.3.3 Estación Centro (Obispado).
Está localizada en las
instataciones de Servicios de Agua y Drenaje deMonterrey en el area del Obispado. Esta estaciOn fue ubicada para monitorear Ia
contaminación de fuentes vehiculares e industriales y permite evaluar los efectos
de Ia mezcla de contaminantes provenientes de fuentes fijas y de fuentes môviles
en una zona residencial del centro del Area Metropolitana de Monterrey. Las
mediciones de esta estación representan principalmente Ia contaminación maxima
de óxidos de nitrógeno y ozono en el area urbana.
Capitulo 1. Cabidad del aire en el Area Metropolitana de Monterrey
1.3.4 Estación Noroeste (San Bernabé).
Esta
estación está situada en los talleres de Metrorrey, en Ia colonia San
Bernabé en Monterrey y se localiza viento abajo facilitando Ia captura de las emisiones de Ia mayoria de las fuentes industriales y del tráfico del AMM, en una zona de alta concentración de poblacion. Es una de las mejores ubicaciones para medir concentraciones máximas de algunos contaminantes, como las particulas menores a 10 micras, los ôxidos de nitrógeno y el ozono.
1.3.5 Estación Suroeste (Santa Catarina).
Se encuentra ubicada en el centro de Santa Catarina a favor del
viento de
Ia mayorIa de las fuentes industriales en Monterrey, San Pedro Garza Garcia y Santa Catarina. Al igual que Ia estación noroeste, esta estación está localizada
viento abajo de
los vientos predominantes. En esta estaciôn regularmente sepresentan las más altas concentraciones de
algunos contaminantes, como las
partIculas menores
a 10 micras y ozono.
Se ha comprobado que las mediciones de esta estación son representativas de las encontradas dentro del valle donde se encuentra localizada Ia estaciôn.1.3.6 Unidad móvil de monitoreo de Ia calidad del aire.
La unidad móvjl de monitoreo de Ia calidad del aire está instalada sobre un camión, lo que le permite desplazarse hacia cualquier punto que se requiera monitorear. Cuenta con equipo similar al de las estaciones de monitoreo fijas y dos analizadores adicionales para hidrocarburos totales y amonIaco. Con Ia operación de esta unidad se realizan programas de análisis especIficos a las mediciones obtenidas de Ia red de monitoreo y programas de verificación del impacto de fuentes contaminantes. En Ia Tabta 1.2 se enumera el equipo de mediciOn de Ia
unidad móvil de monitoreo de Ia calidad del aire.
Capitulo 1. Cal/dad del aire en el Area Metrapolitana de Manterrey
Tabla 1.2. Equipo de monitoreo de la calidad del aire en unidad móvil.
1.3.7 Sistema Sodar Doppler.
Para conocer Ia dinámica atmosférica se cuenta con un equipo Sodar Doppler que se encuentra actualmente instalado en Ia estaciOn sureste de Ia red de monitoreo de Ia calidad del aire. Este equipo mide parámetros tales coma velocidad horizontal y vertical del viento, direcciOn del viento, altura de Ia capa de mezclado, altura de inversiones térmicas, perfil adiabático y estabilidad atmosférica, que permiten describir el compartamiento de Ia atmOsfera hasta una altura de 1500 metros.
1.4 Análisis de cada contaminante medido en el AMM.
En esta parte se presenta un análisis de Ia calidad del aire mediante Ia discusiOn de las niveles en promedios mensuales de Ozono, DiOxido de Azufre, MonOxido de Carbono, Particulas menores a 10 micras (PM 10) y los DiOxidos de
Cap/tub 1. Calidad del aire en el Area Metropolitana de Monterrey
1.4.1 Ozono.
-En Ia Figura 1.6 se muestra el comportamiento de Ia concentración de ozono del periodo de 1993 a 1998, para cada estaciôn de monitoreo. El valor más alto que se registró fue de 83.1 ppb en julio de 1993 en Ia estación suroeste. Hay que recordar que este valor es un promedio mensual por lo que es de esperarse que en las horas pico haya alcanzado valores por encima de Ia norma de 110 ppb. Es precisamente en Ia epoca de verano en que existe un aumento en Ia concentraciôn de ozono en Ia atmósfera, debido a Ia radiaciôn solar alta que se presenta en esta época del año. De acuerdo a Ia figura se observa que durante los años de 1997 y 1998 se presentó una disminución en los promedios mensuales de concentración de ozono to cual pudiera tener su origen en Ia introducciOn de un mayor nUmero de vehiculos nuevos con convertidor catalltico, sustituyendo a Ia flota vehicular vieja que no contiene convertidor catalItico.
Debemos recordar que el ozono es un contaminante secundario, en cuya formaciôn intervienen los NOx y los HC, y estos son emitidos principalmente por los automóviles.
Figura 1.6. Concentraciones de ozono en promedios mensuales.
Cap/fubo 1. Cab/dad del aire en el Area Metropolitana de Monterrey
También se observa que Ia estaciOn de monitoree que presentó las concentraciones promedio más altas es Ia suroeste. Este contaminante ha rebasado Ia norma NOM-022-SSA1-1993 [NOM, 1994a], que establece los limites máximos permisibles en 110 ppb en una hora de exposiciOn, en 133 ocasiones lo que lo coloca como el segundo contaminante en problemática en el AMM.
1.4.2 Dióxidos de Nitrógeno.
Los dióxidos de nitrógeno son Ia principal fuente de formación de ozono por acciôn de Ia radiacián ultravioleta. Se originan principalmente por Ia emisión de los gases de combustion liberados a través del escape de los automOviles, y se forman a altas temperaturas a partir de 02 y N2 al momento que es quemada Ia gasolina y eI diesel. En Ia Figura 1.7 se presentan las concentraciones de NOx en promedios mensuales medidas en cada estaciOn de monitoreo, del año de 1993 a 1998 en el AMM. Los registros más altos se presentan en Ia época de invierno precisamente cuando el ozono presenta una disminuciOn, par tanto los NOx tienden a acumularse. El valor más alto que se registra fue de 86.7 ppb en diciembre de 1996 en Ia estaciOn centro. Este patron de comportamiento también se debe a varios factores como son Ia incidencia de Ia radiaciôn solar, Ia velocidad de viento y Ia altura de Ia capa de mezclado en Ia época invernal.
Puede apreciarse en Ia figura que Ia concentración de los NOx comienza a disminuir conforme se acercan los meses de mayor intensidad en Ia radiación solar, esto debido a que reaccionan con a radiaciôn solar para formar ozono, y además influyen en su dilución las condiciones meteorolOgicas que imperan en esta epoca del año. Los registros de NOx presentados en Ia figura, son promedios mensuales por to que al igual que el ozono, es de esperarse que en horas pica tamblén hayan rebasado Ia norma para 8 horas de exposicion que es de 210 ppb.
La estaciôn centro es a que registra una concentración promedio mensual mayor, seguida de Ia estación suroeste, ya que son las zonas de mayor tráfico vehicular. Esto más o menos es congruente con lo observado en el
Capitulo 1. Calidad del a/re en el Area Metropolitana de Monterrey
comportamiento mensual del ozono ya que coma se mencionO anteriormente los NOx son los precursores de este contaminante. Los NOx tambien presentan una disminuCiôn a partir del año de 1997, at iguat que el ozono. Desde el inicio del monitoreo en 1993, los NOx han presentado una violaciôn a Ia norma NOM-023-SSAI-1993 [NOM, 1994b1 que establece los máximos permisibles para este contaminante.
Figura 1.7. Concentraciones de NOx en promedios mensuales.
1.4.3 Dióxido de Azufre.
Las emisiones de este contaminante provienen principalmente de Ia oxidaciOn del azufre contenido en los combustibles, principalmente en eI diesel y et combustôleo, los cuales son utilizados en los procesos de combustiOn de un gran nümero de empresas. De acuerdo a Ia Figura 1.8 se observa que durante los meses cálidos es cuando se han detectado las concentraciones mayores de este contaminante. El máximo valor registrado es de 31.6 ppb en Ia estaciOn noreste en julio de 1994 y 1996, to cual puede deberse a Ia actividad de Ia planta termoeléctrica de Ia CFE. La tendencia que sigue Ia concentraciôn de SO2 durante el invierno es disminuir con relaciOn at verano donde se presentan los máximos niveles de este contaminante. La causa probable de su disminuciOn en
Cap/tuba 1. Cab/dad del a/re en el Area Metropobitana de Monterrey
los meses frios de se debe a su hidrosolubilidad, Ia cual provoca que sea absorbido por Ia humedad, asI coma tamblén a su capacidad de reaccionar con las partIculas suspendidas. De acuerdo a Ia figura, las zonas centro y noreste son las que presentan las mayores concentraciones debido al alto fluja vehicular-y Ia actividad industrial respectivamente. El S02 no ha presentada violaciones a Ia norma NOM-021-SSAI-1993 [NOM, 1994c1, para este contaminante, que establece 0.13 ppm durante 24 horas de exposiciOn.
Figura 1.8. Concentraciones de SO2 en promedios mensuales.
1.4.4 Monóxido de carbono.
Este contaminante proviene de los procesos de combustiOn que se Ileva a cabo en los motores de combustiOn interna de Ia flota vehicular y en los procesos industriales. En Ia Figura 1.9 se aprecia que las concentraciones de monóxido de carbono se incrementan durante los meses de invierno y disminuye durante los meses cálidos, to cual pudiera deberse a Ia disminuciOn en Ia altura de capa de mezclado, Ia disminuciOn en Ia velocidad de viento, las cuales disminuyen en Ia temporada de fria coma ya se vio anteriormente. De acuerdo a Ia figura se
,j ~
Cap/tub 1. Calidad del aire en eI Area Metropolitana de Monferrey
aprecia que es Ia zona centro Ia que presenta los niveles promedlo de CO más altos del orden de 4 ppb, debido seguramente al alto flujo vehicular en esta zona.
De cualquier forma los registros más altos de CO están muy por debajo de norma de calidad del aire NOM020SSA11993 [NOM, 1994d], que establece los
-máximos permisibles en 11 ppm durante 8 horas de exposiciOn.
Figura 1.9. Concentraciones de CO en promedios mensuales.
1.4.4 Partículas menores a 10 micras (PM10).
Las particulas menores a 10 micras son el principal problema de contaminacjón en el AMM. Los niveles de PMIO más altos monitoreados coma promedios mensuales se midieron en junio de 1994 con un registro de 112.6 jig/rn3 en Ia zona suroeste y en enero de 1996 con un registro de 98.3 jig/rn3 en Ia estaciôn noroeste. Estos valores son promedios mensuales, por to que es de esperarse que se haya rebasado los limites de Ia norma NQM-025-SSAI-1 993 [NOM,1994e] que es de 150 jig/rn3 durante 24 horas de exposición. Dado que se han monitoreado mayores concentraciones durante el periodo comprendido de las 8:00 a las 16:00 horas, periodo en el cual se tiene una mayor actividad humana e industrial. En Ia Figura 1.10
Capitulo 1. Calidad dab aire en eb Area Metropolitana de Monterrey
[image:31.606.176.496.142.403.2]se aprecia que las mediciones de partIculas se elevan durante lOs meses de invierno, debido a que las condiciones climatológicas son poco favorables para su dispersion.
Figura 1.10. Concentraciones de PM10 en promedios mensuales.
Se ha observado que se incrementan las lecturas de partIculas menores a 10 micras cuando Ia direcciOn del viento cambia de Ia direcciOn habitual que es del este, a una predorninante del norte-noroeste. La causa del aumento en las concentraciones al cambiar Ia direcciOn del viento se debe principalmente al impacto de fuentes de particulas ubicadas at poniente del AMM como son las pedreras. Se observa que el comportamiento de las concentraciones máximas de partIculas sigue un patron que marca un considerable ascenso durante los meses de invierno y una disminuciOn notable en primavera y verano. Este hecho encuentra explicaciOn en las condiciones meteorologicas que dificultan Ia
dispersion de los contaminantes durante los meses frIos.
Capitubo 1. Cal/dad del aire en eb Area Metropolitana de Monterrey
1.5
Problemática de Ia Contaminación del aire
por
partIculas en
el
AMM.
En los Ultimos años, el AMM ha tenido un gran desarrollo urbana e industrial. Se tienen contabilizadas más de 9 mil industrias además de los establecimientos comerciales y de servicios. Cuenta con una población de casi 3 millones de habitantes [INEGI, 1996] que crece en forma acelerada a un ritmo de 3% anual.
Tiene una circulaciOn vehicular de 468 mil autos particulares, 161 mil camiones de transporte püblico y de carga y 463 Omnibus [INE, 1995]. Todos estos factores han deteriorado y alterado Ia calidad del aire, ocasionando que se eleven las concentraciones de contaminantes par encima de los máximos permisibles par las normas de Ia calidad del aire [SIMA, 1998]. La ciudad tiene muchos usuarios de Ia cuenca atmosférica, se incluyen establecimientos industriales, comerciales y de servicios, automovilistas privados y vehiculos de transporte colectivo.
Cada uno de ellos accede a los servicios que ofrece Ia cuenca atmosférica sin más lImite que sus propias preferencias y disponibilidades. Sin embargo, los costos inherentes en términos de degradaciOn de Ia calidad del aire son asumidos por toda Ia sociedad, esto es, hay una disparidad entre los beneficios, que son privados, y los costos, que son pUblicos.
Hay antecedentes de inventarios de emisiones para el AMM con el fin de evaluar Ia cantidad de emisiones que se liberan a Ia atmôsfera. El Instituto Nacional de Ecologla integrO en 1993 un inventario de emisiones con recursos otorgados par el Banco Mundial [RADIANCORPORATION, 1995]. En este primer intento se estimaron las emisiones de fuentes fijas de jurisdicciOn federal, fuentes môviles, y se identificaron además las fuentes contaminantes de tipo natural [MRI,
1995]. En 1995 Ia Subsecretaria de Ecologla llevO a cabo un gran esfuerzo para • integrar un inventario preliminar de emisiones a Ia atmOsfera para el AMM.
Capitubo 1. Calidad del afre en eb Area Metropol/tana de Monterrey
La Figura 1.11 muestra el nUmero de horas que sobrepasaron Ia norma correspondiente de cada contaminante monitoreado en et AMM de 1993 a 1998 [SIMA, 1998]. Se considera coma una hora sobre
Ia norma, aquetla en
Ia cual el valor en puntos IMECA de uno o més de los cinco contaminantes monitoreados en-una de las cinco estaciones de monitoreo excede el valor de 100,
es decir, excede
Ia norma de calidad del aire respectiva. Para el caso del NO2 y Ozono se consideran promedios horarios, mientras que para
el
CO, SO2
y PMIO consideran promedios mOviles.Figura 1.11. Horas sobre la norma de los diferentes contaminantes en el AMM de 1993 a 1998.
Se aprecia que son precisarnente las particulas menores a 10 j.tm las que más violaciones a Ia norma han presentado, por to que es fácil afirmar cual es el contaminante más crItico en términos de calidad del aire en el AMM. En Ia misma figura se observa que en los Ultimos años se ha presentado una disminuciôn en el nUmero de dIas que sobrepasa Ia norma, to cual se debe principalmente a las
acciones que ha imptementado Ia Subsecretaria de Ecologia de Nuevo Leon
mediante el Programa de AdministraciOn de Ia Calidad del Aire.
Capitulo 1. Calidad del a/re en eb Area Metropolitana de Monterrey
1.6 Objetivos.
-Con base en Ia problemática de a contaminaciôn en el AMM se debe de establecer el origen e intensidad de emisiones de PM1O, puesto que es e~
contaminante que más violaciones sobre
Ia norma presenta. Por lo tanto, el objetivogeneral de este trabajo es desarrollar una metodologIa para Ia estimaciOn de las emisiones y Ia dispersion de PM1O mediante Ia apticaciOn de un modelo de calidad del aire para simular Ia dispersion de dichas emisiones, provenientes de las diferentes fuentes que tienen influencia en el AMM.
Los objetivos especificos son los siguientes:
• Identificar las areas que corresponden a
las fuentes naturales de emisiOn departIculas. Básicamente
las areas que corresponden a suelos desprovistos devegetacion y con poca cubierta vegetal. Este procedimiento se realizará mediante Ia utilizaciOn de una imagen satelitat de 1998 tomada sobre el AMM, Ia cual será proporcionada por el Laboratorio de Sistemas de lnformaciôn Georreferenciada del Centro de Calidad
Ambiental.
• Estimar las emisiones PMIO a partir del factor de emisiôn de particulas para fuentes naturales, con el fin de evaluar su influencia en el AMM aplicando un
modelo de dispersion.
• Localizar emisiones en un mapa de las diferentes fuentes mediante un Sistema de I nformaciOn Geog ráfica.
• Estimar
Ia dispersion de partIculas a Ia atmósfera por fuentes naturales utilizandoel modelo de dispersiOn ISC3-ST desarrollado por Ia EPA.
Capitubo 1. Cal/dad del a/re en el Area Metropolitana de Monterrey
• Generar mapas en un Sistema de lnformaciOn Geográfica que muestren Ia
dispersion de las partIculas de las areas identificadas mediante isolineas de concentración, de tat forma que se pueda mostrar Ia influencia y contribución de las diferentes fuentes sobre el AMM.
• Establecer recomendaciones para estudios posteriores en materia de emisiones de partIculas.
Los pasos a seguir para el estudio de las
partIculas suspendidas en el AMM semencionan a continuaciOn:
1.- Delimitar el area de estudio
2.- Identificar las diferentes fuentes de emisiOn de partIculas en el area de estudio 3.- Estimar los factores de emisiOn para cada fuente
4.- Estimar Ia dispersiOn para cada fuente mediante Ia aplicacion de un modelo de calidad del aire
5.- Conjuntar las concentraciones estimadas en Ia dispersion para las diferentes fuentes y visualizarlas en un Sistema de lnformaciOn Geografica.
6.- Plantear conclusiones y recomendaciones
1.7 Justificación.
Existen varias fuentes de emisiOn de particulas en eI AMM como son Ia industria, el transporte, el sector servicios, emisiones fugitivas y las fuentes naturales. Las fuentes naturales que contribuyen a Ia contaminación por particulas en el AMM incluyen: terrenos pIanos desprovistos de vegetaciOn, las construcciones en laderas, las areas no urbanizadas sin pavimentar, los terrenos agrIcolas temporales y las zonas de extracciôn. La mayorIa de ellas se encuentran Iocalizadas en los sectores occidentales del AMM [INE,1995]. Segun el inventario de emisiones realizado en 1995, se determinó que las partIculas suspendidas totales fueron de 815,628 ton/año, superada solo por las 907,762 ton/año del CO.
Cap/tub 1. Cabidad del a/re en el Area Metropoiltana de Monterrey
De esa cifra para PST, el 93.6% proviene de los suelos y vegetación. De acuerdo a esta informaciOn se concluye que las fuentes naturales representan una fuente importante de contaminaciOn por particulas, por lo que su estudio es imprescindible. Par to anterior, el presente trabajo tiene Ia finalidad de estimar las emisiones de particulas para diferentes escenarios, estudiar su dispersion e
impacto en Ia pobtaciOn y plantear estrategias de control a corto y mediano plazo para mitigar su impacto.
1.8
Contenido de este trabajo.
En el capitulo 2 se presentan las propiedades fIsicas y caracteristicas de las particulas que se encuentran suspendidas en el aire, cuyo conocimiento permite estudiar con más detalle su transporte, deposiciOn, efectos, reacciOn, etc., en Ia atmOsfera, una vez que son emitidas. La metodologla detaltada para poder Ilevar a cabo el objetivo antes expuesto, se discute ampliamente y paso par paso en eI capitulo 3. En el capitulo 4 se discute Ia descripciOn de los parámetros de Ia ecuaciOn del factor de emisiOn de partIculas (PEF), asI coma los resultados del
mismo para los
poligonos seleccionados (de las
fuentes naturales) en el area de estudio. En el
capItulo 5 se realiza una revisiOn de los diferentes tipos de modelos de calidad del aire que pueden ser aplicados en cada una de las diferentes fuentes de emisián de particulas. En el capitulo 6 se presenta ía aplicaciOn del modelo de dispersiOn ISC3-ST para las diferentes fuentes de emisiOn y los resultados de Ia aplicaciOn mediante Ia elaboración de un Sistema de lnformaciOn Geográfica y Ia discusiOn de los mismos. Finalmente en el capitulo 7 se plantean las conclusiones y recomendaciones para el presente trabajo.
CAPITULO 2
GENERALIDADES SOBRE PARTICULAS EN EL AIRE
En este capitulo se presenta una descripción de
las propiedades fIsicas de
las particulas suspendidas en el aire, su origen y sus efectos en
Ia salud humana.
2.1
¿Qué
son las partículas?
Particulas es un término que se emplea para describir las materias sólidas y líquidas dispersas y arrastradas por el aire, mayores que las moléculas individuales (las moléculas individuales miden aproximadamente 0.0002 jim de diámetro) pero menores de 500 jim [Wark,1990]. Las particulas en este rango tienen una vida de suspensiOn en el aire que varla desde unos cuantos segundos hasta meses. Las particulas menores a 0.1
jim experimentan movimiento browniano aleatorio,
resultante de Ia colisiOn con las moléculas individuales [Stern,1973]. Las particulas entre 0.1 y 1 jim tienen velocidades de asentamiento en el aire estático que, aunque finitas, son pequenas comparadas con las velocidades del viento. Las particulas mayores a 1 jim tienen velocidades de asentamiento significativas, pero pequenas.
Las partIculas por encima de aproximadamente 20 jim, tienen grandes velocidades de asentamiento y se eliminan del aire por
gravedad y otros procesos de
inercia [Wark,1990].
Una porciOn de las particulas introducidas en Ia atmôsfera par las actividades del hombre sirven coma nücleos de condensaciOn que influyen en Ia formaciôn de nubes, lluvia y nieve. Entre los constituyentes de
Ia atmOsfera, este contaminante es
Unico en complejidad pues es el resultado no solamente de Ia emisiOn directa de partIculas, sino también de ciertos gases que se condensan en forma de particulas
Capitubo 2. Generalidades sobre partIcubas en eb aire
directamente o sufren transformación quimica a una especie que se condensa en forma de particula. Una descripciOn completa de las partIculas atmosféricas requiere Ia especificaciOn no solamente de su concentraciOn sino también de su tamaño, composiciOn quImica, fase y morfologla [Finlayson-Pitts and Pits, 1986].
-2.2
Origen de las
partIculas.La influencia de las actividades humanas sabre Ia producciOn y ciclo de vida de las partIculas atmosféricas ha Ilegado a ser el enfoque principal de programas
internacionales de investigaciOn. En Ia Tabla 2.1 se observa una estimaciôn global
anual de particulas en el mundo en 1984 [Buffleand van Leeuwen, 1992].
Tabla
2.1. Estimación de producción global de partículas en el mundo en 1984Claramente se observa que las fuentes de origen natural exceden a las antropogénicas par un factor de cinco, pero cada componente es incierto por un factor de dos. Las emisiones antropogenicas se concentran en algunas zonas y su influencia se vuelve muy importante at representar el 20 % de las emisiones naturales. El impacto total de las fuentes puede ser enganaso desde el punto de vista espacial y desde el punto de vista de su composicion. Las fuentes
Cap/tub 2. Generalidades sobre partIcubas en el aire
antropogenicas espacialmente, están cancentradas en regiones habitadas, principalmente las ciudades
y areas densamente pobladas; y par su composiciOn
los impactos en al salud pueden ser fuertes dependiendo de Ia toxicidad de Ia emisiOn [Buffleand Van Leeuwen, 1992].
-2.2.1 Fuentes de origen antropogénico de partIculas.
Las partIculas presentes en Ia atmOsfera en el intervalo de tamanos par debajo de I
jim
se producen par condensaciOn, mientras que las particulas mayores son el resultado a bien de Ia trituraciOn (pulverizaciOn) a de Ia combustiOn. Los procesos de molienda en seco rara vez son eficientes en Ia produccion de partIculas menores de pocos micrómetros. La combustiOn puede producir cuatro tipos diferentes de partIculas, las cuales se forman por losmecanismos siguientes [Wark,1990]:
a) El calor puede vaporizar materiales que posteriormente se condensan, produciendo particulas entre 0.1 y 1.0
jim.
b) Las reacciones qulmicas del proceso de Ia combustiOn pueden producir partIculas de cUmulos moleculares inestables de corta duraciOn P01 debajo de aproximadamente 0.1 jim.
C) Los procesos mecánicos utitizados para controlar Ia combustiOn pueden liberar cenizas a partIculas de combustible de I
jim a mayores.
d) Si intervienen aspersiones de combustibles lIquidos, puede que se escape una particula muy fina.
e) La combustiOn parcial de los combustibles fôsiles puede producir holtin.
Las fuentes estacionarias de emisiones de particulas se pueden dividir en clases tales coma domésticas y camerciales, industriales y de energia. Del total de partIculas que se forma en estos casos, aproximadamente el 85% proviene de las fuentes de producciOn de energia, y Ia gran mayoria de las fuentes de energia se deben al consumo de combustibles bituminosos y de los Iignitos. Afortunadamente,
Cap/tuba 2. General/dades sabre partIculas en el a/re
can Ia operaciOn de los precipitadores electrostáticos y otro disposi-tivos de control, más del 90% de estas emisiones potenciales se remueven en ültinio término antes de su descarga a Ia atmOsfera. La Tabla 2.2 [Wark,1990]
muestra
las principales fuentes industriales de contaminaciOn par partIculas. Coma se observa el material de las partIculas emitidas es muy diverso y varla con el procesa asociado a su producciOn y predominan vapares, neblinas Oxidos, metates, etc.Tabla 2.2. Procesos industriales asociados a la emisión de particulas.
Las cargas intermitentes de asfalto en
Ia industria de Ia construcción
constituyen otra gran fuente potencial, y
la gigantesca industria alimentaria genera
Capitubo 2. Generalidades sabre particulas en a! aire
partIculas par medio de procesos tales coma Ia preparaciOn cle los suelos, rociado con insecticidas, molienda y secado de granos, asi como procesamiento de came y pescado.
La materia particulada emitida par los vehiculos con motor a gasolina consiste de carbOn, cenizas metálicas y aerasales de las hidrocarburos. Las particulas de base metálica son el resultado del consumo de combustibles que cantienen ploma como antidetonante. El carbOn y las hidracarburos no quemados son eI resultado de Ia combustion incompleta de los combustibles. La materia particulada que descargan los motores diesel consiste en primer Iugar de carbOn y aerosotes de los hidrocarburos, que son el resultado de Ia combustiOn incompleta en condiciones de carga pesada del motor.
2.2.2 Fuentes de emisión de partIculas de origen natural.
La materia particulada emitida por fuentes naturales incluye Ia sal de los océanos, cenizas volcánicas, productos de Ia erosiOn del viento, polvo de las carreteras, desechos de incendios forestales, el polen y las semillas de las plantas arrastradas por et viento, micraorganismos como hongas, esporas, virus protozoos, bacterias y coliformes, etc. La erosiOn del viento sabre suelos desprovistos de cubierta vegetat es una de las fuentes más importantes, sobre todo en zonas donde
Ia velocidad del vienta alcanza valores altos
[Peavy,1985].2.3
CaracterIsticas fIsicas de las particulas.
En esta parte se presentan las principales caracterIsticas fIsicas de las particulas suspendidas en el aire, to cual es importante porque nos permite tener herramientas para su estudio.
Capitubo 2. Generalidades sabrepartIculas en eI a/re
2.3.1 Tamaño de las
particulas.
La herramienta bésica para examinar las particulas es el microscopio. Este revela que las partIculas sOlidas, principalmente polvos y gases, son usualmente muy irregulares en su forma, pero ocasionalmente corresponden a un estado regular cristalino. Las partIculas IIquidas principalmente neblina y spray tienden a ser esféricas, aunque pueden estar más a menos distorsionadas en tamaños Iargos. Las formas irregulares observadas tienden a ser clasificadas en las siguientes categorias
Licht, 1988]:
a) Isométrica (granular, modular).- En este tipa de forma las dimensiones de Ia
particula san aproximadamente de Ia misma magnitud.
b) Planas (hojaldradas).- En este tipo de forma una de las longitudes en dos
dimensiones es más larga que las otras dos
c) Acicular .- En este tipo de forma hay una longitud en una dimensiOn más larga
que en las otras dos dimensiones.
El estudio de las partIculas baja el microscopio solo revela el perfil
bidimensional el cual paso a ser el pIano de observaciOn al azar, par tanto el grosor
de Ia particula puede ser inferida indirectamente. Otros métodos de observaciOn de partIculas miden el volumen total, Ia masa total a Ia superficie total de Ia partIcula, su
movimiento mecánico baja Ia aplicaciOn de ciertas fuerzas (gravitacional, centrIfuga,
electrostática, etc.), o bien el método par el cual dispersan Ia luz.
Estas mediciones son de algunas propiedades de Ia particula de las cuales
algunas están relacionadas a su tamaño. Un valor numérico para el tamaño es
entonces determinado en base a algun tipo de comportamiento equivalente, usualmente equivalente al comportamiento de una partIcula esférica baja condiciones similares. Par ejemplo, Ia velocidad de asentamiento en el aire baja los efectos de Ia gravedad puede ser medida para algunas partIculas irregulares. Entonces un nUmero de tamaño puede ser asignado a cada partIcula sabre Ia base del cálculo del diámetro esférico de Ia partIcula de una misma densidad a Ia cual padrIa sedimentar
Cap/tuba 2. Generab/dades sabre partIculas en eb a/re
a Ia rnisma velocidad a Ia que aquella es medida. Algunas definiciones del tamaño de
Ia
particula comUnmente utilizadas son[
Licht, 1988]:Diámetro del area de Ia particula.- Es el diámetro de un circulo que tiene Ia misma
-area de Ia imagen de Ia particula proyectada al pIano de Ia vista del microscopio. Diárnetro de volumen equivalente.- Es el diámetro de una esfera que tiene un volumen igual al valumen de Ia particula.
Diámetro de sedimentaciOn.- Es el diámetro de una esfera de igual densidad, que tiene Ia misma velocidad de sedimentaciOn que una particula en un fluida determinado.
Diámetro aerodinámico.- Es el diámetra de una esfera de densidad unitaria (I gr/cm3) que tiene Ia misma velocidad de asentamienta en et aire que Ia particula en estudio.
Diámetro de arrastre.- Es el diámetro de una esfera que tiene Ia misma resistencia al movimiento (fuerza de arrastre) que Ia partIcula en estudio en un fluido de Ia misma viscosidad y a Ia misma velocidad.
El usa de cualquiera de los diâmetros antes mencionados para definir el tamaño de Ia partIcula, dependerá de Ia aplicaciOn para cuyo comportamiento sea considerado. Otro método de describir una particula irregular es en términos del tamaño de algunas formas geornétricas simples, Ia cual se comportará de una manera equivalente. Estas formas geametricas simples son:
Par tanto, con este método una partIcula isométrica puede ser aproximada a una esfera o a un cubo, una particula discoidal a un cilindro con cociente l/d pequeno
Cap/tub 2. Generabidades sabre partIculas en el a/re
o a un elipsoide oblado con 130, y una particula puntiaguda por un cilindro con l/d grande o un elipsoide prolado con 13 que tiende a ~
[
Licht, 1988].Donde
13 se define coma:
2.3.2
Modos de formación de las particulas.
Las particulas pueden ser clasificadas de acuerdo a su moda de formaciOn como polvos, humos, fumarolas, cenizas aéreas, neblina y spray. Las primeras cuatro son particulas sOlidas, mientras que las ültimas dos son lIquidas [Peavy,1985].
Polvos.- Son pequeñas particulas sOlidas que van 1.0 a 1000 jim, creadas par desintegraciOn de grandes masas de material a través de procesos tales coma triturado, molienda o rociado, y pueden ser emitidos directamente de los procesos a bien de Ia manufactura de materiales tales coma carbOn, cemento o granos. También puede ser un subporducto de un proceso mecánico tal como el carte de madera, a elaborado coma residuo de una operaciOn mecánica, tal coma el pulido de paredes.
Capaz de permanecer en suspension en el aire u otros gases, los polvos no se difunden, sino que sedimentan par efectos de Ia gravedad.
Humos.- Son partIculas finas resultantes de Ia combustiOn incompleta de material orgánico tal carno combustibles fOsiles, carbOn, madera, y tabaco, y cansisten principalmente de carbono y otros materiales combustibles. Las partIculas de humo tienen diámetros que van de 0.5 a 1.0 jim.
Fumarolas.- Son partIculas finas y sOlidas (Oxidos de plomo o zinc) formadas por Ia condensaciOn de vapores de materiales sOlidos. Pueden ser formadas par procesos de calcinaciOn, sublimaciOn, destilaciOn o moldeado de metales, y tienen diámetros que van desde 0.03 a 0.3 jim
Cap/tuba 2. General/dades sabre partIcubas en eb a/re
Cenizas.- Consiste de particulas finamente divididas no combustibles contenidas en los gases de salida de combustiOn de carbOn. Inherentes al
carbOn
estas particulas minerales a metálicas son liberadas cuando Ia porciOn del carbOn orgánico es quemado. Presentan caracterIsticas similares a los tipos de particulas antes discutidos, es decir su rango de tamano es similar al de los polvos de I a 1000 jim, resultan de un proceso de combustiOn tal coma los humos y consisten de material inorgánico tal como las nebtinas.
Neblinas.- Son
partIculas lIquidas a gotas forrnadas por Ia condensaciOn deun vapor, Ia dispersion de un tiquida, a por una reacciôn qulmica (por ejempla Ia formaciOn de Ia neblina del ácido sulfUrico). Su tamaño es menor a los 10 jim y si su concentraciOn es lo suficientemente alta como para disminuir Ia visibilidad, se le llama
niebla.
Spray.- Son
particulas liquidas formadas por Ia atomizaciOn de lIquidos como pesticidas y herbicidas y su rango de tamaño va de 10 a 1000jim.
2.3.3 Sedimentación de partIculas.
Las caracteristicas de sedimentaciOn son de las propiedades más importantes de las particulas, de tal fomia que Ia sedimentaciôn es el proceso natural de mayor remociOn de partIculas en Ia atrnOsfera. De acuerdo a su permanencia en Ia atmOsfera, las partIculas pueden ser clasificadas coma suspendidas a sedimentables [Backris,1978].
PartIculas Suspendidas.- Su tamano varia desde menos de 1 jim hasta 20
jim y permanecen suspendidas en Ia atmOsfera par largos periodos de tiempo.
PartIculas Sedimentables.- Son las más grandes y las más pesadas y por tanto sedimentan cerca de Ia fuente de emisiOn y son generalmente mayores a 10
jim.
Cap/tuba 2. General/dades sobre partIcubas en el a/re
La Ley de Stakes puede ser utilizada para calcular
Ia velocidad de
sedimentaciOn de particulas en aire, aunque es buena recordar que Ia Ley de Stokes está basada en sedimentaciOn laminar y que no considera Ia turbulencia de Ia atmOsfera. Además solo es aplicable a materia particulada entre 0.1 y 100
jim,
y que solo puede ser utitizada cuando el nUmero de Reynolds es menor a 1. Para muchas aplicaciones Ia densidad del aire es despreciable comparada con Ia densidad de Iaparticuta y puede ser omitida en Ia siguiente ecuacián [Peavy,1985]:
(2.1)
Donde: Vt Velocidad terminal de sedimentaciOn (mis)
= Constante de gravedad (mis2)
Densidad de Ia partIcula (kg/rn3)
=Densidad del aire (kg/rn3) = Diámetro de Ia particula (jim) =Viscosidad del aire (N*sim2)
Las propiedades
superficiales de las particulas que incluyen adsorciOn,
absorciOn, quimioabsorciOn y adhesiOn, son factores particularmente importantes en el proceso de sedimentación
de partIculas de menos de 1 jim de diámetro. La
sedimentaciOn de particulas más pequenas es afectada par el fenOmeno conocido coma movimiento browniano. Este movimiento aleatoria causa que colisionen can las particulas de los alrededores par tanto tienden a coagular, flocular y eventualmente
sedimentan.
2.3.4 Efectos de las partIculas sobre Ia visibilidad.
La reducciOn en Ia visibilidad es uno de los efectos más obvios de Ia
contaminaciOn del aire.
La dispersion de Ia luz par materia particulada es Ia principalresponsable de esa reducciOn. Las partIculas en el rango de Ia luz visible (0.38 a 0.76
Cap/tuba2.Generalidades sabre partIculas en a! a/re
jim) son las más efectivas en Ia reducción de Ia visibilidad. Sin embargo Ia visibilidad es afectada par Ia forma y caracterIsticas superticiales de Ia partIcula, asi como por Ia distribuciOn de tamaño de las mismas, par tanto Ia precisiOn del cálculo de transmisiOn y dispersiOn de Ia luz es un procedimiento altamente complejo. Aunque Ia siguiente fOrmula no toma todos los factores en consideraciOn, asume que Ia materia particulada en Ia atmOsfera es de tamano unifarme y que Ia dispersiOn solo explica para Ia atenuaciOn de Ia Iuz, pero, no muestra que, baja ciertas circunstancias altamente especializadas, una relaciOn matemática puede ser derivada entre Ia visibilidad y Ia materia particulada [Graedel,1986]:
(2.2)
KM
Donde: V = Visibilidad (Km)
p = Densidad de Ia partIcula (kg/rn3)
r = Radio de Ia particula (jim)
K
=Radio del area de dispersion (adimensional)
M= ConcentraciOn de particulas (jig/rn3)
2.4
Efectos de las partIculas sobre Ia salud.
Las partIculas en forma de polva, humo y aerosoles pueden tener un efecto en Ia salud a corto y largo plaza. Estos efectos van desde irritaciOn de ojos y garganta a Ia reducciOn de Ia resistencia a infecciones y pueden dar origen a enfermedades respiratorias crOnicas. Par ejempto, las particulas de palvo transportadas par el viento pueden contener sustancias tOxicas como PCB’s y pesticidas. Estas particulas también pueden danam a Ia vegetaciOn y a los edificios y reducir Ia visibilidad. Las fuentes mâs importantes de partIculas incluyen fábricas de acero, plantas de generaciOn de energia, cementeras, fundidoras, desmatadoras de algodOn, obras de construcciOn y demolición, homnos y chimeneas que utilizan madera coma combustible, areas sujetas a erosion y
motores diesel [Harrison,1986].
Capitulo 2. Generalidades sobre partICulaS en el aire
Las particulas entran al cuerpo a través del sistema respiratorio, el cual puede ser dividido sistema respiratorio superior, consistiendo de Ia cavidad nasal y Ia traquea, y el sistema respiratorio bajo, consistiendo de los tubos bronquiales y los pulmones. En (a entrada de los pulmones, Ia traquea se divide en dos ârboles bronquiales que consisten de una serie de branquias diãmetros sucesivamente más pequenos. El sistema respiratorio tiene diferentes niveles de defensa contra Ia invasion de material extraño. Las particulas grandes son eliminadas de Ia corriente de aire a nivel de las fosas nasales. Sin embargo, en Ia gama de tamaños inferiores a aproximadamente 10 pm Ia velocidad de sedimentaciOn es insignificante comparada con el movimiento producido por el viento y Ia turbulencia del aire. Estas particulas tienden a permanecer en suspension durante periodos de horas o dias hasta que son eliminadas por el impacto con superficies o Ia difusiOn sobre las mismas, o son barridas por Ia Iluvia. Son estas particulas en suspensiOn las mâs importantes en relaciOn con Ia salud humana no solo porque permanecen en Ia atmósfera durante más tiempo que las particulas más grandes, sino también porque son suficientemente pequenas para ser inhaladas y penetrar profundamente en las vias respiratorias [Seinfeld,1986].Para particulas de 0.1 a 1.0 pm de diámetro existe aproximadamente un 20 a un 30% de deposiciôn total en el sistema respiratorio. La deposiciOn total se incrementa más o menos linealmente desde el 50% para partIculas de 2 pm de diámetro hasta Ilegar a 90 a 100% para particulas de 10 pm de diámetro. Cerca del 80 al 90% de las particulas de 8 a 10 pm de diámetro que entran a (a tráquea son depositadas en Ia region traqueobronquial. Menos del 10% de las partIculas inhaladas de 5 a 10 pm de diámetro se depositan en Ia region pulmonar. Aproximadamente el 20% de las particulas de 1 pm, 30% de las de 2 pm y deUfl 40 a
un 50 % de las particulas de 3 a 4 pm de diámetro se depositan en Ia regiOn pulmonar [Seinfeld,1986].
En los Estados Unidos, Ia contaminaciOn del aire por particulas cobra más interés cada dIa conforme se realizan estudios epidemiolOgicos asociados a los niveles de contaminaciôn de PMI 0. De acuerdo a un estudio conducido pci Ia Natural Resource Defense Council (NRDC), cada año cerca de 64 mil personas mueren prematuramente por causas cardiopulmonares ligadas a Ia contaminaciôn por materia
Capitulo2. Generalidades sobre partIculas en el aire
particulada. En (as ciudades más contaminadas, el promedio de vida disminuye en uno o dos años por esta causa. La ciudad de Los Angeles encabeza Ia lista con un estimado de 5873 muertes prematuras por año, seguida por Nueva York con 4024, Chicago con 3479, Filadelfia con 2599 y Detroit con 2123. Para precisar (a extension del problema de (a contaminaciOn por particulas, (a NRDC ap(icO los resultados de Un
estudio Ilevado a cabo en 1995 por Ia American Cancer Society y Harvard Medical School para datos locales ENRDC, 1996]. De acuerdo a otras investigaciones se ha observado un incremento en riesgos a Ia salud asociados con Ia exposiciOn
prolongada a (a contaminaciôn por particulas [Schuartz,Dockery and Pope, 1995]. Dos estudios recientes reportaron que Ia exposiciôn durante periodo largo a contamiflaCiófl por particulas, fue asociada con el aumento en el riesgo de mortalidad [Popeand Thun, 1995]. Otros estudios de series de tiempo diarios, han tamblén observado una relaciOn entre (a contaminaciOn de particulas con (a mortalidad diana y
las admisiones a hospitales por cuestiones respiratorios y cardiovasculares, agudización del asma y de problemas en los riñones [Bates,1995].
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CAPITULO 3
METODOLOGIA PARA ESTIMAR LAS EMISIONES Y
ESTUDIAR LA DISPERSION DE LAS PARTICULAS Y SU
APLICACION AL AMM
En este capitulo se presenta Ia metodologia global para estimar las emisiones y dispersiOn de PMIO por fuentes naturales. También se discuten las ventajas de utilizar un Sistema de Informaciôn Geográfica como herrarnienta fundamental para delimitar e identificar las fuentes naturales, asi como antropogénicas. Finalmente se presenta eI modelo para calcular el factor de emisión de particulas (PEF), el cual es usado para calcular las emisiones de fuentes naturales. A lo largo del capitulo se discute Ia aplicaciOn de Ia metodologia al AMM.
3.1
Metodologia global.
Los pasos a seguir para el estudlo de las particulas suspendidas en el AMM son las siguientes:
1.- Delimitar el area de estudio en base a Ia zona de influencia de las diferentes fuentes de emisiOn de partIculas.
2.- Identificar las diferentes fuentes de emisiOn de particulas en el area de estudio mediante una imagen satelital del area de estudio.
3.- Estimar (as emisiones en Ia zona de estudio utilizando los resultados de reportes de emisiones existentes para fuentes antropogenicas, y mediante factores de emisiOn de partIculas para fuentes naturales.
