Introducción a la contaminación atmosférica

Otra comparación que se puede hacer es con respecto al cociente CO/NOx asociado a las emisiones del transporte. La Figura 1.21 (Parrish, 2006) muestra el período 1985-2003, pero graficando el cociente CO/NOx en emisiones y en calidad del aire; este último corresponde a la pendiente en un gráfico de concentraciones de CO y NOx. Se han graficado mediciones para diversas zonas urbanas en EE.UU., así como la base de datos AIRS que incluye aproximadamente cien sitios urbanos (línea con símbolos cuadrados).

FIGURA 1.20

Comparación de inventarios de emisión de CO (cuadrados) y monitoreo ambiental de CO (círculos) en EE.UU., período 1975-2003. Fuente: D. Parrish (2006)

Se aprecia en la Figura 1.21 que hay similitudes entre los datos ambientales; los datos de inventarios poseen cocientes significativamente mayores que los medidos, especialmente en los últimos años. Luego, para que haya consistencia entre ambos tipos de datos se debe cumplir que: a) las emisiones de CO están altas; b) las emisiones de NOx están bajas; o c) una combinación de a) y b). Además, los cocientes ambientales decrecen más rápidamente que lo que los inventarios predicen.

Considerando que la Figura 1.20 indica que la tendencia de las emisiones recientes del CO está bien, esto permite concluir que las emisiones de NOx en EE.UU. están subestimadas, especialmente en los últimos años. En otras palabras, solamente emisiones crecientes de NOx en los últimos años permitirían llegar a una mejor concordancia entre monitoreo e inventarios.

FIGURA 1.21

Comparación del cociente CO/NOx en inventarios y en monitoreo ambiental en EE.UU.. Fuente: D. Parrish (2006)

1.4 Resumen

a)El problema de la contaminación atmosférica y su impacto en la sociedad se puede resumir en la Figura 1.1. Si bien la imagen es simple, la labor de evaluar los distintos componentes del problema en términos cuantitativos es laboriosa y a menudo se recurre a utilizar resultados obtenidos en estudios de otros países para completar el análisis secuencial. En cualquier caso, las estimaciones poseen bastante incertidumbre, con amplios intervalos de confianza para la valoración social del daño actual de la contaminación atmosférica.

b)Tanto las concentraciones ambientales como las estimaciones de las emisiones atmosféricas nos entregan un diagnóstico de la situación de calidad del aire en una zona dada.

c)Las concentraciones miden la magnitud del problema y las emisiones permiten estimar los aportes de las mayores fuentes que contribuyen al problema.

d)La construcción de inventarios de emisiones atmosféricas es una tarea laboriosa y que consume muchos recursos.

e)Las estimaciones de las emisiones se pueden verificar comparando con las concentraciones ambientales, tanto en la dimensión espacial como temporal.

f)El proceso de generación de inventarios es iterativo, con un inventario que se puede mejorar en la medida en que se dispone de más datos del monitoreo ambiental⁸.

1.5 Referencias

1)Ayres, J., R. Maynard y R. Richards (eds). Air Pollution and Health. Londres: Imperial College Press, 2006.

2)Bond, T. C., E. Bhardwaj, R. Dong, R. Jogani, S. Jung, C. Roden, D. G. Streets y N. M. Trautmann. (2007). Historical emissions of black and organic carbon aerosol from energy-related combustion, 1850-2000, Global Biogeochem. Cycles, 21, GB2018.

3)Bond, T. C. y otros. “Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment”, J. Geophys. Res. Atmos. (2013), 118, 5380-5552, doi:10.1002/jgrd.50171.

4)CENMA: Informe final: “Inventario de Emisiones de Contaminantes Atmosféricos en las Regiones V, VI y IX de Chile”, Capítulo V: Novena Región, Santiago, 2001.

5)Conama RM, “Evolución de la calidad del aire en Santiago 1997 / 2004”, disponible en la dirección: http://www.sinia.cl/1292/article-39731.html.

6)Elsom, D. Smog Alert. Managing Urban Air Quality. Londres: Earthscan, 1996.

7)Franco, V., Kousoulidou, M., Muntean, M. Ntziachristos, L., Hausberger, S. y Dilara, P., “Road vehicle emission factprs development: A review, Atmospheric Environment, 70 (2013), 84-97.

8)Gallardo, L., J. Escribano, L. Dawidowski, N. Rojas, M.F. Andrade y M. Osses. “Evaluation of vehicle emission inventories for carbon monoxide and nitrogen oxides for Bogotá, Buenos Aires, Santiago, and São Paulo”. Atmospheric Environment 47 (2012), 12-19.

9)Guenther, A., T. Karl,P. Harley, C. Wiedinmyer, P.I. Palmery C. Geron “Estimates of global terrestrial isoprene emissions using MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature)”. Atmos Chem Phys 6 (2006), 3181-3210, doi: 10.5194/acp-6-3181-2006.

10)Huneeus, N., F. Chevallier y O. Boucher. “Estimating aerosol emissions by assimilating observed aerosol optical depth in a global aerosol model”. Atmos Chem Phys, 12 (2012), 4585-4606: www.atmos-chem-phys.

11)Jorquera, H., W. Palma y J. Tapia. “An Intervention Analysis of Air Quality Data at Santiago, Chile”. Atmospheric Environment, 34 (2000), 4073-4084.

12)Junker C. y C. Liousse. “A global emission inventory of carbonaceous aerosol from historic records of fossil fuel and biofuel consumption for the period 1860-1997”. Atmos Chem Phys 8 (2008), 1195–1207: www.atmos-chem-phys.net/8/1195/2008/

13)Parrish, D.P. “Critical evaluation of US on-road vehicle emission inventories”. Atmospheric Environment 40 (2006), 2288-2300.

14)Pope, C.A. y D.W. Dockery. “Health effects of fine particulate air pollution: Lines that connect”. Journal of the Air & Waste Management Association 56 (2006), 709-742.

15)Seinfeld, J.H. y S.N. Pandis. Atmospheric Chemistry and Physics. Nueva York: Wiley, 1998.

16)Vedal, S. “Ambient Particles and Health: Lines that Divide”. J Air & Waste Manage. Assoc 47 (1997), 551-581.

17)Wilson, R. y J. Spengler. Particles in our air. Boston: Harvard University Press, 1996.

18)Yanowitz, J., R. L. McCormick y M. S. Graboski. In-use emissions from heavy-duty diesel vehicles, Environ. Sci. Technol., 34(2000), 729-740.

19)Zannetti, P. Air Pollution Modelling – Theories, Computational Methods and Available Software. Nueva York: Computational Mechanics Publications, 1990.

1.6 Problemas propuestos

1)Lea los siguientes documentos e identifique las componentes de la cadena de riesgo (Figura 1.1) que aparecen en ellos, indicando en qué casos se tomaron elementos del análisis desde otros estudios y cuáles fueron los aportes originales de cada estudio:

a)Artículo de Jonathan I. Levy, Lisa K. Baxter y Joel Schwartz: “Uncertainty and Variability in Health-Related Damages from Coal-Fired Power Plants in the United States”. Risk Analysis 29, No 7 (2007), 1000-1014.

b)El anteproyecto de norma de emisión de centrales termoeléctricas en Chile, disponible en la página web: http://www.sinia.cl/1292/articles-44963_informe_final_term.pdf

c)Artículo de X.R. Guo, S.Y. Cheng, D.S. Chen, Y. Zhou y H.Y. Wang: “Estimation of economic costs of particulate air pollution from road transport in China”. Atmospheric Environment, 44 (2010), 3369-3377.

2)Usando datos de la página web del SINCA: http://sinca.mma.gob.cl, verifique los gráficos de tendencias de calidad del aire mostrados en este capítulo para Santiago. Siga el método desarrollado por Parrish (2006) para analizar tendencias del CO y del cociente CO/NOx, ambos dominados por las emisiones del sector transporte en Santiago. Use la estación de Pudahuel como referencia, y compare con los inventarios 1997, 2000, 2005 y 2010 para Santiago. ¿Qué concluye Ud. de este análisis? Lea el artículo de Gallardo y otros (2012) para más detalles.

3)A partir de la información en SINCA, grafique las concentraciones anuales de MP₁₀ y MP_2.5 para las distintas ciudades del país. ¿Hay ciudades que muestren excedencias de las normas ambientales? ¿Cómo es la tendencia temporal de esas emisiones?

4)Evalúe el cumplimiento de las siguientes normas de calidad del aire: NO₂ (1 h),CO (8h), O₃ (8h), MP₁₀ (24 h), MP_2.5 (24h) para Santiago, usando los datos más recientes disponibles en SINCA.

5)Para estimar la variación de las emisiones en el tiempo cuando se implementan cambios tecnológicos, en la mayoría de los casos se puede asumir un proceso difusivo en donde el factor de emisión X(t) está dada por la expresión (Bond y otros, 2007):

Donde X₀ y X_f corresponden a los valores iniciales y finales del factor de emisión promedio de la actividad estudiada; t₀ es el momento en que se inicia el cambio tecnológico; y s es la escala temporal en la cual se produce el cambio. ¿Qué limitaciones tiene la ecuación anterior? Utilice la ecuación anterior para ajustar los datos de la Figura 1.10 y encuentre los parámetros X₀, X_f y s. Asuma que t₀ = 1972.

6)Aplique la ecuación anterior para estimar los parámetros del cambio de gasolina con plomo a sin plomo en la Región Metropolitana de Santiago⁹.En este caso, X(t) representa la fracción de la gasolina consumida que no contiene plomo. ¿Se ajusta el modelo gaussiano a la realidad de Santiago? ¿Se puede repetir este análisis para el caso de la introducción de gas natural desde Argentina para consumo industrial y residencial en la Región Metropolitana?

7)La Tabla 1.3 reporta resultados de las emisiones de vehículos en la Región Metropolitana para el año 2000.

TABLA 1.3 Fuentes móviles en ruta inventario 2000 PPDA

a)Estime factores de emisión promedio para distintas categorías de vehículos, expresadas en masa de contaminante por kilómetro recorrido. Ordene las categorías de mayor a menor en esta escala, para los distintos contaminantes que se han estimado en el inventario.

b)La meta del Transantiago fue reducir las emisiones de los buses licitados a 6.580 toneladas de NOx y 126 t de MP₁₀ al año, respectivamente. Si los veh-km recorridos por los buses licitados en esas condiciones corresponden a 550.000.000 (veh-km/ año), ¿cuáles serían los máximos valores de factores de emisión (promedio de la flota) que permitirían cumplir con esas metas? Con respecto a la flota del año 2000, cuánto habría que reducir el factor de emisión promedio de NOx y de MP₁₀ para cumplir con la meta de Transantiago? Nótese que los buses interurbanos y los regionales no están sometidos a reducciones de emisiones, ya que no se trata de “buses licitados”.

c)Si las tecnologías de buses Euro 1 a Euro 4 para distintos combustibles tienen los factores de emisión que se indican en la Tabla 1.4, plantee un problema de optimización lineal que minimice el costo de armar una flota para presentarse a licitación al Transantiago, sujeto a que cumpla con las exigencias ambientales de reducción de emisiones del Transantiago. Asuma conocidos los costos de los buses, y que el total de veh-km recorridos es el mismo que en b).

TABLA 1.4

Factores de emisión de buses para MP₁₀ y NOx

8)Lea el artículo de E. Gramsch, G. Le Nir, M. Araya, M.A. Rubio, F. Moreno y P. Oyola: “Influence of large changes in public transportation (Transantiago) on the black carbon pollution near streets”. Atmospheric Environment 65 (2013), 153-163. Analice las conclusiones del estudio y la metodología de comparación para los escenarios “sin proyecto” y “con proyecto’” Considere que el año base (2005) fue más lluvioso que el año “con proyecto”.

9)Haciendo supuestos promedio sobre el rendimiento (km/litro) de los distintos tipos de vehículos, estimar los consumos por tipo de combustible para el año 2000 a partir de los vehículos-km del inventario presentados en la Tabla 1.4 y comparar con las cifras de ventas reportadas por la SEC (www.sec.cl). ¿Son similares ambos tipos de cifras? Repita el cálculo, pero ahora para el 2005.

10)En los inventarios para Santiago (y en toda zona urbana con suficientes vehículos) se estima que el polvo resuspendido de calles es un aporte significativo a las emisiones de MP₁₀, más estrictamente a la “fracción gruesa”, que corresponde a las partículas con tamaños entre 2,5 y 10 μm. Estime la tendencia del material particulado grueso en Santiago en los últimos años, e indique cómo debería reflejarse eso en los inventarios de emisiones. ¿Qué pasa si se grafica el promedio anual del MP grueso en función de los consumos anuales de combustible del transporte (indicador de los kilómetros recorridos)? Comente sus resultados.

11)La siguiente tabla muestra estadísticas de las Naciones Unidas de consumos de biocombustibles para el período 1970-1996, y estadísticas de la población mundial entre 1860 y 1980. Utilice el consumo de biocombustibles per cápita en 1970 para extrapolar los consumos de biocombustibles hacia el pasado hasta 1860. Grafique sus resultados y compare con la Figura 2 del artículo de Junker y Liousse, 2008.

TABLA 1.5

Consumo de biocombustibles (Mt), 1970-1996

TABLA 1.6

Población mundial 1860-1980 (10⁹ habitantes)

12)La siguiente tabla muestra las estimaciones de emisiones de carbono elemental provenientes del consumo de biocombustibles (Junker y Liousse, 2008). Combine estos resultados con los del problema anterior para estimar el factor de emisión promedio global en [g/kg]. ¿Se aprecia cambios en dicho factor de emisión en el tiempo?

TABLA 1.7

Emisiones de carbono elemental (Mt) por uso de biocombustibles, 1860-2000

13)La siguiente tabla muestra las emisiones de carbono elemental (CE) a nivel regional estimadas por Bond y otros (2013), para distintas regiones en el año 2000, las que totalizan 7.600 Gg. Las observaciones satelitales del efecto de absorción del carbono elemental y las mediciones en lugares remotos entregan el cociente del CE observado y el modelado globalmente con las emisiones listadas en la segunda columna, los que se indican en la tercera columna de la tabla. Si las diferencias medidas en ella se atribuyen exclusivamente a las emisiones, ¿cuál sería una estimación más precisa de la emisión global de carbono elemental el año 2000 en Gg? Compare con la estimación global de CE para el año 2002 hecha por Huneeus y otros (2012), que es de 15.000 Gg.

TABLA 1.8

Comparación de concentraciones modeladas y observadas

* Modelo de dispersión global aplicado con las emisiones estimadas para el año 2000. Europa Oriental, Cáucaso y Asia Central.

** Europa Oriental, Caucaso y Asia Central.

¹Este aspecto se va a especificar en mayor detalle en el Capítulo 3.

²Ver Capítulo 4 para más detalles respecto al cambio climático.

³De hecho, una inspección técnica con requisitos de mantención de los vehículos es una medida costo efectiva para reducir las emisiones del sector transporte.

⁴Ver por ejemplo la compilación de la EPA de EE.UU.: http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42/

⁵Disponible en: http://www.epa.gov/otaq/m6.htm

⁶Para más detalles: http://www.declaracionemision.cl/

⁷En términos precisos, se trata de la segunda máxima anual del promedio móvil de 8 horas de CO.

⁸Por ejemplo, mediante la aplicación de modelos de receptor (Capítulo 3) o de modelos de dispersión (Capítulo 5).

⁹Las estadísticas de consumos de combustibles en Chile por región están disponibles en www.sec.cl

Capítulo 2

Contaminantes

atmosféricos y salud de

la población

CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS Y SALUD DE LA POBLACIÓN

2.1 Introducción

La exposición a la contaminación atmosférica ha sido vinculada a numerosos efectos negativos sobre la salud de las personas, comenzando desde molestias transitorias en las vías respiratorias y reducción de la capacidad pulmonar, continuando con disminución de la actividad laboral, visitas a salas de emergencia, admisiones hospitalarias, enfermedades respiratorias agudas, enfermedades crónicas, hasta llegar a mortalidad prematura (ver Tabla 2.1). Históricamente se han registrado eventos tales como el episodio de Londres en diciembre de 1952, donde se estima que hubo aproximadamente 12.000 muertes en exceso asociadas a la mala calidad del aire (ver Figura 2.1), así como muchos otros episodios en distintos países (Bell y Davis, 2001).

En los últimos años se ha acumulado evidencia científica de que los efectos adversos no solo afectan al sistema respiratorio, sino también al sistema cardiovascular (Ayres y Routledge, 2006). Esta evidencia proviene de estudios de exposición aguda (o de corto plazo) y crónica (de largo plazo). Los efectos más severos incluyen una reducción significativa en la esperanza de vida de la población, la que está vinculada a la exposición de largo plazo a la contaminación atmosférica. En la siguiente tabla¹⁰ se incluyen los contaminantes que más se han asociado a efectos nocivos en la salud: el material particulado, el ozono y el NO₂, los cuales se describen más adelante en este capítulo.

TABLA 2.1 Efectos en la salud causados por exposición al material particulado, ozono y NO₂

2.2 Tipos de contaminantes atmosféricos

La mayoría de las sustancias consideradas como contaminantes atmosféricos se producen en actividades de consumo de combustibles fósiles en motores de combustión interna (automóviles, buses, camiones), plantas de potencia termoeléctricas y maquinaria industrial. Dado que se trata de actividades a gran escala, son las que más contribuyen a los niveles de contaminación. Todas estas fuentes se pueden clasificar como antropogénicas. Las fuentes de origen natural incluyen erosión del suelo, evaporación de agua de mar, erupciones volcánicas e incendios forestales.

FIGURA 2.1

Mortalidad semanal y concentración de SO₂ en el Gran Londres¹¹

Lo que se conoce como contaminación atmosférica es una mezcla compleja de una gran variedad de sustancias producidas por la combustión incompleta en procesos antropogénicos, pero también existen contribuciones de origen natural. La Tabla 2.2 entrega una clasificación basada en las propiedades físicas y químicas de las diversas sustancias y componentes químicos que se han identificado. A continuación se describen aquellos que se han encontrado que están asociados a mayores impactos en la salud de la población¹².

2.2.1 El material particulado en suspensión

El material particulado suspendido en el aire es una mezcla de sustancias orgánicas e inorgánicas de distintos tamaños. Las partículas más pequeñas contienen partículas de combustión (carbono elemental y carbono orgánico), condensados de vapores metálicos y orgánicos, y partículas secundarias formadas por la neutralización de gases ácidos (ácido sulfúrico y ácido nítrico, provenientes de la oxidación de emisiones de SOx y NOx, respectivamente) en forma de sulfatos y nitratos inorgánicos. Luego estas partículas pequeñas provienen principalmente de procesos físicos y químicos.

TABLA 2.2 Clasificación de contaminantes atmosféricos

Las partículas más grandes provienen de procesos mecánicos y en su mayoría corresponden a partículas de suelo erosionado por el viento, polvo fugitivo de caminos y de actividades industriales donde se manejan grandes cantidades de sólidos, tales como actividades mineras, agrícolas, de construcción, etcétera. Además, incluye entre otros, el aerosol marino, partículas de polen, insectos, restos vegetales, (Pooley, 1999).

Dado que las partículas varían en tamaño, composición y origen, se les suele clasificar por su tamaño, debido a que esta propiedad determina el transporte y remoción de las partículas en el aire, así como la depositación de partículas en el interior del sistema respiratorio; igualmente, el tamaño permite discriminar entre diversas fuentes emisoras y composición química de las partículas. Para esto se define el tamaño aerodinámico, como el tamaño de una esfera con las mismas propiedades aerodinámicas. A menor tamaño, mayor es la toxicidad de las partículas.

Usando esta dimensión, el material particulado en zonas urbanas se puede dividir en tres grupos: partículas gruesas, finas y ultrafinas. El límite entre las partículas gruesas y finas se fija en 2,5 μm, mientras que el límite entre partículas finas y ultrafinas está aproximadamente en 0,1 μm. El término MP₁₀ representa todas las partículas con tamaño aerodinámico menor o igual a 10 μm. Estas partículas pueden alcanzar las partes superior de las vías respiratorias y por ello han sido reguladas desde hace décadas en muchos países del mundo mediante normas de calidad y de emisión.

Las partículas finas, denominadas usualmente MP_2.5 pueden penetrar más profundamente en el pulmón e incluso pueden alcanzar la región alveolar. Las partículas ultrafinas contribuyen poco a la masa de MP₁₀, pero son relevantes desde el punto de vista de la salud, debido a que son muy numerosas y poseen mucha superficie que puede entrar en contacto con los tejidos alveolares, como se aprecia en la siguiente figura. Estas partículas se producen principalmente en procesos de combustión, de modo especial en motores de combustión interna.

Muchos estudios de mortalidad prematura han encontrado asociaciones estadísticas más robustas entre efectos a la salud cuando se usa el MP_2.5 como medida del material particulado, en vez de usar el MP₁₀. No se ha encontrado que las partículas gruesas (diferencia entre MP₁₀ y MP_2.5) tengan una asociación clara con mortalidad prematura, aunque sí tienen asociación con la morbilidad (ver resumen de antecedentes más adelante en este capítulo).

Hasta ahora en el país se ha regulado en conjunto las partículas finas y gruesas, ya que el énfasis en la regulación ha estado en el MP₁₀, al igual que en muchos otros países. Sin embargo, como ya se ha indicado, ambas fracciones de tamaño provienen de distintas fuentes, están asociadas a diferentes efectos en salud y tienden a estar poco correlacionadas en el ambiente.