Introducción a la contaminación atmosférica

Capítulo 3

El material particulado

EL MATERIAL PARTICULADO

Este capítulo tiene por objetivo describir las características de la contaminación por material particulado y definir los principales conceptos necesarios para su caracterización. Esto incluye propiedades físicas, composición química, fuentes emisoras y procesamiento en la atmósfera. A partir de estos antecedentes se mostrará cómo formular un modelo sencillo que cuantifique la relación entre emisión y concentración para una zona dada, de manera de completar el esquema de análisis secuencial presentado en el Capítulo 1. También se describe la metodología del modelo de receptor, el cual permite estimar los aportes de distintas fuentes (primarias y secundarias) al material particulado medido en algún sitio de medición.

El aerosol atmosférico es un término genérico que corresponde a una amplia gama de sólidos o líquidos dispersos en el aire, existentes como partículas suspendidas en un amplio intervalo de tamaños. Es emitido o generado por una gran variedad de procesos y fuentes, que van desde la erosión eólica de polvo superficial a procesos de combustión, de generación de aerosol marino, de oxidación del anhídrido sulfuroso (SO₂) y de óxidos de nitrógeno (NO_x) para formar partículas sólidas de nitratos y sulfatos, etcétera. Aquella parte del aerosol atmosférico que está en fase sólida constituye lo que normalmente llamamos material particulado en suspensión.

Las fuentes emisoras de material particulado pueden ser de origen natural, como el viento que erosiona suelos áridos, las erupciones volcánicas, las tormentas de polvo, el polen y microorganismos, entre otros. Las fuentes antropogénicas son de variados tipos, siendo las principales el uso de combustibles fósiles (en transporte, comercio y residencias), el manejo y transporte de sólidos (minería, construcción, agricultura), el procesamiento de metales y minerales y la industria en general (plantas termoeléctricas, de cemento, siderúrgicas, etcétera).

El material particulado puede formarse en la atmósfera por reacciones entre contaminantes gaseosos (llamados precursores), tales como el dióxido de azufre (SO₂), los óxidos de nitrógeno (NO_x), el amoniaco (NH₃) y los compuestos orgánicos volátiles (COV), todos los cuales son emitidos por diversos tipos de actividades humanas y fuentes naturales. A este tipo de material particulado se le denomina aerosol secundario y constituye una fracción importante del material particulado en suspensión, especialmente en el intervalo de tamaños que más afecta a la salud de las personas (ver Capítulo 2) como es el caso del MP_2.5. Por ello en la siguiente tabla se hace una distinción entre la emisión directa (o primaria) y la secundaria (natural y antropogénica) causada por las reacciones químicas entre gases precursores emitidos.

Las estimaciones de las emisiones de material particulado pueden hacerse mediante dos metodologías:

i)Usando factores de emisión por tipo de combustible, tipo de proceso, etcétera, para generar estimaciones agregadas de las emisiones (Bond y otros, 2007; Dentener y otros, 2006; Junker y Liousse, 2008).

ii)Empleando la información de observaciones satelitales de la columna de aerosol en la atmósfera, en conjunto con un modelo de circulación global de la atmósfera para estimar las emisiones mediante un proceso denominado modelación inversa (Dubovik y otros, 2008).

Independientemente de la metodología empleada, los resultados poseen incertidumbres: en el caso i), son las incertidumbres en los factores de emisión y en los niveles de actividad, y en el caso ii), la incertidumbre proviene de las observaciones satelitales y del modelo utilizado para comparar simulaciones con observaciones. La Tabla 3.1 presenta un resumen de estimaciones que han sido publicadas recientemente.

3.1 Distribución de tamaño del aerosol atmosférico

El tamaño es el parámetro más importante en la caracterización del material particulado. En conjunto con la composición química, permite la determinación del origen, propiedades e impacto en la salud de las partículas atmosféricas. Generalmente, el tamaño se describe por medio del diámetro de las partículas, el cual puede ser determinado geométricamente por análisis microscópico, por su comportamiento físico como la velocidad de sedimentación, la movilidad eléctrica, etcétera.

TABLE 3.1

Estimaciones de emisión o producción global de material particulado

¶: Expresados como TgN/año. #: No incluye quema de biomasa (emisión natural). Los valores separados por guiones representan distintos supuestos para calcular las estimaciones; los porcentajes entre paréntesis corresponden a estimaciones del error en el valor central estimado.

Por lo común, la forma de una partícula no es esférica, por lo que su diámetro es descrito por medio de un diámetro equivalente, correspondiente al de una esfera de igual comportamiento para alguna propiedad física. Es común usar el diámetro aerodinámico (D_ae), el que se define como el diámetro de una partícula esférica (de densidad ρ₀ = 1.000 kg/m³) que posee la misma velocidad de sedimentación V_TS en aire que la partícula en cuestión. Considerando los distintos regímenes de turbulencia en los cuales se puede producir la sedimentación de partículas en aire, se obtiene la siguiente expresión:

Donde V_TS es la velocidad de sedimentación terminal de la partícula no esférica (y de la esfera equivalente también); g es la aceleración de gravedad; ρ_0, la densidad de la partícula esférica de referencia (1.000 kg/m³); ρ_G, la densidad del aire; μ_G, la viscosidad del aire; y C_C, el factor de corrección por deslizamiento (o factor de Cunningham). El factor de corrección C_C es relevante solo para partículas menores a 10 μm de diámetro y es función del tamaño de partícula y de la trayectoria media de las moléculas del aire³¹.

En la ecuación anterior el número de Reynolds de la partícula esférica de referencia está dado por:

Y como no se conoce a priori el régimen de turbulencia en que se movería la partícula de referencia, la determinación del diámetro aerodinámico no es un problema directo, sino iterativo.

Ejemplo 3.1

Encuentre la relación entre diámetro aerodinámico y diámetro físico para una partícula esférica, asumiendo que se cumple el régimen de Stokes (Re_P < 1).

En este caso se pueden igualar las expresiones de la velocidad terminal de sedimentación de Stokes para ambas partículas, obteniéndose:

Donde la última igualdad en el lado derecho de la ecuación (3.3) solo es válida para partículas con D_P > 5 μm y Re_P< 1. Si no se puede hacer esta aproximación, entonces hay que resolver la ecuación anterior en forma iterativa.

Ejemplo 3.2

Usando el resultado del ejemplo anterior, calcule rigurosamente el diámetro aerodinámico para una partícula esférica de 0,5 μm de tamaño cuya densidad es de 2.000 kg/m³, en aire a condiciones estándar (25 °C, 1 atm).

Usando el calculador de propiedades de partículas de la Universidad de Harvard, se obtiene que:

Reemplazando este valor y la densidad de la partícula en la ecuación (3.3) se obtiene:

La ecuación (3.4) se resuelve en forma iterativa, asumiendo inicialmente que el factor de corrección en el denominador vale 1,0. Con esto se calcula un primer valor de D_ae y actualizando C_C (D_ae) en forma iterativa se obtiene la siguiente secuencia de resultados:

Por lo cual se estima que el diámetro aerodinámico es de 0,735 μm, 47% más que el valor del diámetro físico de la partícula esférica y 4% más que el valor aproximado dado por la ecuación (3.3).

3.1.1 Sedimentación de partículas en el aire

Para partículas esféricas su velocidad de sedimentación en aire a condiciones normales de 25 °C y 1 atm cambian fuertemente con el diámetro de las partículas (ver Figura 3.1). Luego, el “tiempo de residencia” de las partículas en la atmósfera (asociado exclusivamente al mecanismo de sedimentación gravitacional) varía notablemente con el tamaño de partícula, como se muestra en la siguiente tabla. En la Figura 3.1 la zona con pendiente 2 corresponde al intervalo de validez del régimen de Stokes (Re_P < 1) cuando se puede hacer la aproximación de que C_C = 1; este intervalo abarca desde 0,3 hasta ~50-80 µm aproximadamente; por debajo de 0,3 µm la corrección por deslizamiento es importante y cambia la pendiente del gráfico (es menor a 2); por sobre ~50-80 µm empieza a ser válido el régimen de transición turbulenta (1 < Re_P<10³) y también la pendiente del gráfico es menor a 2.

3.1.2 Distribuciones de tamaño de partículas observadas en el ambiente

Las partículas presentes en la atmósfera se encuentran en un amplio intervalo de tamaños, lo que se caracteriza mediante una función de distribución de tamaños, con respecto a la masa o al número de partículas. Las principales características de una distribución por masa típica se ilustran en la Figura 3.2 (Chow y otros, 1998). En esta se aprecian distintos intervalos de tamaños, con diferentes orígenes y propiedades, lo que permite realizar una clasificación del material particulado en cuatro fracciones, llamada clasificación modal. Esta se basa en la observación de la distribución de tamaños y en los diferentes mecanismos de formación.

FIGURA 3.1

Velocidad de sedimentación para partículas esféricas en aire a 25 °C y 1 atm, usando las expresiones de la ecuación (3.1)

TABLA 3.2

Tiempo que toma una partícula en caer 1 km asumiendo solo depositación seca

Fuente: Jacobson, Atmospheric Pollution, History, Science and Regulation.

Los intervalos de tamaños se describen a continuación:

3.1.2.1 Intervalo de nucleación

Llamadas también partículas “ultrafinas”, consisten en partículas de diámetro menor a ~0,08 μm. Son emitidas directamente en procesos de combustión o se forman por la condensación de gases enfriados después de su emisión. Su vida media es usualmente corta debido a que coalescen con partículas mayores o sirven de núcleos para la formación de gotas en nubes o neblina. Por ejemplo, la Figura 3.3 muestra partículas ultrafinas emitidas por un motor diésel, y como se combinan entre sí para formar conglomerados de mayor tamaño.

3.1.2.2 Intervalo de acumulación

Consiste en partículas de diámetro entre 0,08 a ~ 2 μm. Resultan de la coagulación de pequeñas partículas emitidas en procesos de combustión, de la condensación de especies volátiles y de la suspensión de polvo fino del suelo. Este dominio presenta en general dos submodos. El modo condensación, centrado alrededor de ~ 0,2 μm que contiene los productos de condensación desde la fase gaseosa (equilibrio gas-sólido) y el modo de pequeñas gotas (droplet mode) con un máximo en ~ 0,7 μm, resultado del crecimiento por nucleación de partículas pequeñas y por reacciones ocurridas en gotas de agua (equilibrio líquido-sólido).

3.1.2.3 Fracción fina

Está formada por todas las partículas de diámetro menor al mínimo local de la distribución (ver Figura 3.2), el que está ubicado generalmente entre 2 a 3 μm. Está formada por los rangos de nucleación y acumulación, y contiene la mayoría del material particulado de origen secundario. Usualmente esta fracción se denota con el símbolo MP_2.5.

3.1.2.4 Fracción gruesa

Constituida por partículas mayores que ~ 2-3 μm, generadas en procesos mecánicos. Está formada principalmente por material de origen geológico y vegetal, así como por el desgaste de frenos y neumáticos, molienda de residuos depositados sobre caminos, y del manejo de sólidos en actividades de construcción, agrícola, de minería, etcétera.

FIGURA 3.2

Distribución de tamaños idealizada para aerosoles en el ambiente (Chow y otros, 1998)

FIGURA 3.3

Distribución de tamaño de partículas emitidas por un motor diésel

La Figura 3.4 muestra mediciones de distribuciones de tamaños de partículas tomadas en el túnel de la intersección de Lira con Alameda, en Santiago centro (Artaxo, 1998a). Se aprecia un modo fino centrado en 0,175 μm, un valor asociado a procesos de conversión gas-partícula. También se aprecia una contribución importante de material grueso (centrada en 3 µm), asociado a polvo resuspendido por los vehículos que circulan a velocidades relativamente altas por el túnel.

FIGURA 3.4

Distribución de tamaños de partículas medidas en el túnel Lira-Alameda, Invierno 1996 (Artaxo, 1998a). Concentraciones ambientales en μg/m³

Finalmente, las partículas se clasifican en diferentes fracciones, basándose en las características del equipo de tamizado o separación. La separación se refiere a la recolección de partículas menores a un determinado diámetro aerodinámico, con una eficiencia de 50%. A este se le denomina punto de corte y por lo general se escoge para medir una fracción con algún significado especial, como son los efectos en la salud. El punto de corte usado tradicionalmente es el MP₁₀, diseñado para seleccionar las partículas pequeñas capaces de entrar en la región torácica (partículas en suspensión respirables). Por lo general las mediciones del material particulado se describen en base a los puntos de cortes MP₁₀ y MP_2.5, denominándose fracción gruesa a la resta MP₁₀-MP_2,5, aunque esta no contiene todo el material grueso, el que alcanza hasta ~ 40 µm de tamaño (ver Figura 3.2). Al total de las partículas sólidas suspendidas en el ambiente se le llama partículas totales en suspensión (PTS) y se incluyen hasta tamaños de 30 a 40 μm, ya que el rápido crecimiento de la velocidad de sedimentación con el tamaño de partícula (Figura 3.1) no permite que partículas de mayores tamaños permanezcan suspendidas en el aire.

3.2 Composición química del material particulado respirable total (MP₁₀)

Los principales constituyentes del aerosol atmosférico son: carbono orgánico, carbono elemental, sulfatos, nitratos, amonio, agua líquida, materiales de origen geológico y una variedad de elementos traza. Su composición química varía con el tamaño de las partículas, la zona geográfica y la estación del año. A continuación se describen las características de los fundamentales componentes.

3.2.1 Material geológico

Consiste en polvo superficial que se ha suspendido por distintos mecanismos y que contiene óxidos de aluminio, silicio, calcio, titanio, hierro y otros metales oxidados. El material geológico se encuentra primordialmente en la fracción gruesa (entre 2,5 y 10 μm), constituye típicamente 50% del MP₁₀ y solo contribuye con entre 5% y 15% del MP_2.5 (Chow y otros, 1998).

3.2.2 Cloruro de sodio

La sal está presente en el material particulado principalmente en localidades cercanas al mar. Se forma por suspensión de gotas de agua y en este estado forma parte de la fracción gruesa del MP₁₀. También es abundante en el MP_2.5 por evaporación del agua en las gotas suspendidas. El aerosol marino (o sal de mar) es el más emitido a escala global (Tabla 3.1).

3.2.3 Sulfatos

El ácido sulfúrico y sus productos de la neutralización con amoniaco, como el sulfato de amonio ((NH₄)₂SO₄) y el bisulfato de amonio (NH₄HSO₄), están presentes en las partículas finas. Generalmente son de origen secundario y se forman por la conversión de gases a partículas. Son solubles en agua y se encuentran casi exclusivamente en el MP_2.5. Otros componentes son el sulfato de sodio (Na₂SO₄), encontrado en áreas costeras –a partir de la neutralización del H₂SO₄ (g)–, con el NaCl(s), y el yeso (CaSO₄), formado por la neutralización del H₂SO₄ (g)con CaO del material geológico. Ambas sales son más abundantes en la fracción gruesa que en el MP_2.5.

3.2.4 Nitratos

El más común es el nitrato de amonio (NH₄NO₃), que se crea por la reacción entre el ácido nítrico y el gas amoniaco. El ácido nítrico es casi totalmente de origen secundario y se forma en reacciones que involucran óxidos de nitrógeno (NO_x), y compuestos orgánicos volátiles (COV), iniciadas fotoquímicamente y que llevan asimismo a la formación de ozono (ver Capítulo 6). Otro nitrato es el nitrato de sodio (NaNO₃) encontrado en las costas y que se crea por reacción entre el ácido nítrico y la sal de mar (NaCl). Esta sal igual se encuentra mayoritariamente en la fracción gruesa del MP₁₀.

3.2.5 Amonio

El sulfato de amonio, bisulfato de amonio y el nitrato de amonio son las sales de amonio más comunes. Son formados principalmente por reacciones entre el ácido sulfúrico o nítrico y el amoniaco; este último es de origen natural y es capaz de neutralizar a las especies gaseosas ácidas.

3.2.6 Carbono orgánico

Estas partículas consisten en cientos de compuestos orgánicos diferentes, formados por más de 20 átomos de carbono (> C₂₀). Se encuentran principalmente en la fracción fina y presentan una distribución bimodal con máximos en 0,2 μm y en 1 μm (EPA, 1995). Existe carbono orgánico de origen primario y secundario. El primario es emitido en procesos de combustión. El carbono orgánico secundario es formado alrededor de partículas existentes y por condensación de productos semivolátiles de la oxidación de los compuestos orgánicos volátiles (COV), que son llamados precursores. A comienzos de los años noventa en Santiago de Chile se midieron elevadas concentraciones de carbono orgánico, lo que se atribuyó a la mala combustión de los vehículos diésel (Didyk y otros, 1999). En la actualidad se reconoce que el aporte de los COV emitidos por los vehículos a gasolina al carbono orgánico en una ciudad puede ser tan importante como el carbono orgánico directamente emitido por los vehículos diésel (Strader y otros, 1999).

3.2.7 Carbono elemental

Llamado también hollín, es de color negro y tiene una estructura similar a la del grafito, pero contiene asimismo compuestos orgánicos no volátiles como alquitrán y coke. Se forma principalmente en procesos de combustión, como la quema de madera, carbón y de derivados del petróleo. La distribución de tamaño del carbono elemental emitido por los automóviles tiene 85% de su masa en partículas ultrafinas de diámetro menor a 0,12 μm (EPA, 1995).

3.2.8 Agua líquida

Las partículas que contienen sulfatos, nitratos, amonios y algunos compuestos orgánicos son higroscópicas, es decir, absorben vapor de agua de la atmósfera, especialmente cuando la humedad relativa excede el 70% y se alcanza el equilibrio de fases. Parte de esta agua es retenida por los monitores e incorporada a la concentración total del MP₁₀. Para evitar esta sobrestimación, normalmente se mantiene la zona de medición a una temperatura de 50 °C, por ejemplo, pero esto produce la volatilización de algunos sólidos como el nitrato de amonio, lo que sesga las mediciones de MP₁₀ y de MP_2.5, que pasan a ser mediciones de MP seco.

3.2.9 Metales y otros elementos trazas

Los elementos trazas encontrados predominantemente en la fracción fina son el Pb, Zn, Cd, As, Sb. Los elementos hallados en ambas fracciones son el Na, K, Fe, V, Cr, Co, Ni, Mn, Cu, Se, Ba, Cl. Finalmente, los encontrados en la fracción gruesa son el Ca, Al, Ti, Mg, (EPA, 1995). Las concentraciones y proporciones relativas de estas especies en los diferentes rangos de tamaños dependen de los tipos de fuentes cercanas (geología del sector) y de la meteorología dominante.

Las fuentes potenciales de los metales trazas, como Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, Co, V, As, Sb, Br y Ba, son fundamentalmente antropogénicas e incluyen motores de vehículos, combustión de carbón, petróleo, madera, desechos y la fundición de metales. El plomo y el bromo son emitidos principalmente por motores de automóviles; el Cu, Zn, Ba, Sb y Fe provienen del desgaste de frenos y neumáticos; el vanadio, potasio y el níquel vienen de la combustión de petróleo y carbón en actividades de generación de potencia y de vapor. El arsénico es característico de las fundiciones de cobre, en conjunto con Pb, Zn y Cu. Los aditivos a los combustibles les añaden elementos como Ca y Mn a las emisiones de vehículos diésel.

Se considera que el Fe, Mg, K, Mn, Al, Ti, V, Ca, Sr y Si, son de origen natural cuando se encuentran asociados esencialmente a las partículas más grandes (fracción gruesa o MP₁₀-MP_2.5).

Como ejemplo la siguiente figura muestra la composición del MP_2.5 en Santiago en julio de 2005 (Gramsch, 2005). Los puntos de medición fueron Las Condes, Parque O’Higgins y Pudahuel.

FIGURA 3.5

Composición del MP2.5 en Santiago, julio 2005 (Gramsch, 2005)

Se aprecia que los aerosoles secundarios inorgánicos –sulfatos, nitratos y amonio– presentan valores similares en los tres sitios de medición, una característica típica de este tipo de componentes secundarios. Lo mismo ocurre con las partículas de combustión, el carbono orgánico (CO en la figura) y el carbono elemental (CE), que en conjunto constituyen aproximadamente la mitad del MP_2.5. Notar que el CO medido incluye el carbono orgánico secundario formado mediante reacciones químicas y equilibrio de fases (Sección 3.4.4).

3.3 Fuentes primarias de material particulado

El aerosol atmosférico está compuesto por una compleja mezcla de constituyentes químicos, emitidos por una gran diversidad de fuentes. Cada una tiene un patrón distintivo de emisión, en cuanto a tamaño de las partículas (ver Figura 3.6 y Figura 3.8) y a la composición de las partículas emitidas (o perfil químico). El origen del material particulado puede ser antropogénico o natural, y ser emitido directamente (aerosoles primarios) o formarse en la atmósfera por precursores gaseosos (aerosoles secundarios). Las fuentes antropogénicas se clasifican en estacionarias (relacionadas a la actividad industrial, comercial y residencial) y móviles (relacionadas al transporte), como se ha descrito en el Capítulo 1.

FIGURA 3.6

Distribución de tamaño de partículas (en número en panel izquierdo, y en masa en panel derecho) para emisiones del desgaste de frenos de vehículos. Fuente: Iijima y otros (2007)

Las principales fuentes primarias del material particulado son las fuentes antropogénicas: combustión en fuentes estacionarias y móviles, quema de biomasa y residuos, y las fuentes naturales (erosión por el viento, incendios forestales, aerosol marino, erupciones volcánicas), que se describen a continuación.

3.3.1 Emisión fugitiva natural

El polvo suspendido por el viento es el principal componente natural del aerosol atmosférico, especialmente en zonas áridas o semiáridas. Es originado por suspensión de tierra o erosión de rocas por acción del viento. Las tasas de emisión dependen fuertemente de parámetros meteorológicos como la velocidad del viento, humedad ambiental y precipitaciones. Su perfil de elementos incluye principalmente el Si, Al y Fe. El viento también es causante de la aparición de sal en el material particulado, al producir la agitación de la superficie marina, generándose así el aerosol marino, compuesto de modo esencial por cloruro de sodio, el cual domina las emisiones de material particulado en el mundo (Tabla 3.1).

Como ejemplo, la Figura 3.7 muestra composiciones químicas del MP₁₀ en tres sitios de muestreo en Tocopilla, II Región³². Se aprecia que en el sector sur, más expuesto a la brisa marina y con un suelo desértico hacia el sur, las concentraciones de elementos como Si, Al, Fe y Cl son considerablemente mayores que al interior de la zona urbana (sitios 1 y 2), lo que está indicando levantamiento de polvo del desierto que impacta predominantemente en ese sector de la ciudad. Además, se aprecia una alta contribución de cobre, claramente de origen antropogénico, lo que indica la presencia de una fuente emisora local de MP₁₀ con alto contenido de cobre; en este caso se trata de una procesadora de concentrados de cobre ubicada al sur de la ciudad, fuera del radio urbano.

3.3.2 Emisión fugitiva antropogénica

Las emisiones de polvo resuspendido o polvo fugitivo fruto de la actividad humana son difíciles de cuantificar. Corresponden a las emisiones provenientes de las calles pavimentadas y sin pavimentar, de la construcción y demolición, de la agricultura, manejo de materiales, etcétera. Principalmente son partículas gruesas, como se observa en la Figura 3.8 para el polvo de caminos y de la construcción, siendo prácticamente 90% mayores a 2,5 μm (Chow y otros, 1998). La composición química del polvo de calles pavimentadas es una mezcla de partículas provenientes de diferentes fuentes, como tierra, gases de automóviles, desgaste de frenos y neumáticos y sal. Los autos aportan plomo en sus gases, óxidos como el de Fe, partículas de neumáticos ricas en Zn, partículas de desgaste de frenos que contienen Cu y cemento por atrición del pavimento (Fujiwara y otros, 2011).

3.3.3 Fuentes fijas

Estas incluyen el uso de combustibles fósiles en actividades industriales, de generación termoeléctrica, en calefacción comercial y residencial. El empleo en la industria de combustibles fósiles como carbón y petróleo es causante de la emisión de material particulado y de precursores gaseosos (SO₂). Los sulfatos son las principales partículas relacionadas con la combustión de petróleo pesado, petcoke (o petróleo residual) y carbón, ya que estos combustibles poseen azufre en porcentajes altos.

FIGURA 3.7

Concentraciones de algunos elementos en el MP10 en Tocopilla [μg/m³]. Fuente: DICTUC, “Análisis de la calidad del aire por MP10 en Tocopilla”, Informe final, octubre 2006. Sitios de monitoreo: 1- Norte, 2- Centro, 3- Sur.

FIGURA 3.8

Distribución de tamaños de fuentes de emisión de MP. Fuente: Chow y otros, 1998

El perfil de tamaños de las partículas emitidas en la combustión de derivados del petróleo se observan en la Figura 3.8, siendo estas fundamentalmente MP_2.5. Similar situación se aprecia para las quemas agrícolas y de leña para calefacción. Además de los combustibles fósiles, la biomasa en forma de madera puede ser quemada en incendios forestales o como combustible industrial. Las partículas finas dominan estas emisiones y el principal compuesto liberado es el carbono orgánico, más que el elemental (EPA, 1995). La excepción es la combustión de diésel en vehículos pesados, donde domina el carbono elemental (Tabla 3.3).

3.3.4 Fuentes móviles

Corresponde a las emisiones provenientes de los gases de escape de los vehículos, al polvo resuspendido por los vehículos y a otros componentes originados por desgaste de frenos (Figura 3.6) y partes metálicas, desgaste de neumáticos, etcétera. Los motores diésel son mayoritariamente responsables del material particulado primario, mientras que los vehículos con motor bencinero aportan gases (principalmente CO, COV y NOx), precursores de la formación de material particulado secundario.

Las emisiones de material particulado (por el tubo de escape) de vehículos ligeros son del orden de 1 a 5 mg por vehículo-kilómetro recorrido (1-5 mg/v-km), siendo los valores mayores para la partida de un motor frío (Westerholm y Christensen, 1996). Respecto a los vehículos pesados (con motor diésel) sus emisiones de MP_2.5, de carbono elemental y de carbono orgánico son del orden de 2,5, 1,3 y 0,5 g por kilógramo de combustible consumido, respectivamente; al compararse estas emisiones con las de vehículos ligeros a gasolina, los vehículos pesados emiten unas 20 veces más MP_2.5, unas 35 veces más carbono elemental y unas 10 veces más carbono orgánico por kilómetro recorrido (Kirschtetter y otros, 1999).

El principal compuesto aportado por los vehículos a la masa de material particulado, lo constituye el carbono elemental y el orgánico (ver Tabla 3.3). El material particulado se forma en la cámara de combustión de los motores, como resultado de la combustión incompleta. Consiste esencialmente en carbono elemental que contiene compuestos orgánicos junto con algunos elementos trazas como plomo. Los vehículos emiten también grandes cantidades de óxidos de nitrógeno (NOx), los que eventualmente forman partículas de nitratos. Además, los vehículos emiten un conjunto de metales traza (Fe, Zn, Ba, Cu, entre otros) que provienen de distintas partes del vehículo; para más detalles al respecto, consultar el artículo de Fujiwara y otros (2011).

Las emisiones de material particulado resuspendido de las calles son del orden de 1 g/ v-km para calles pavimentadas y del orden de 100 g/ v-km para calles sin pavimentar, observándose una marcada disminución de la emisión a medida que aumenta la humedad relativa (Kantamaneni y otros, 1996). Para el caso de bermas sin pavimentar el factor de emisión medido posee un valor intermedio cercano a 10 g/ v-km (Moosmuller y otros, 1998). Hay cierta evidencia que para calles pavimentadas el factor de emisión es menor en las que son muy transitadas y mayor en calles con pavimento en mal estado (Venkatram y otros, 1999), y de que los vehículos más grandes y veloces aportan la mayoría de las emisiones, debido a la naturaleza aerodinámica del fenómeno (Moosmuller y otros, 1998). Sin embargo, estos factores de emisión poseen mucha incertidumbre y se ha cuestionado la confiabilidad de la metodología de estimación de la magnitud de estas emisiones; para una revisión crítica de este tema, ver el artículo de Venkatram (2000) y posteriores comentarios (Nicholson, 2001; Venkatram, 2001). En resumen, este tipo de emisiones son las que poseen mayores incertidumbres en una zona urbana y, a la vez, son una de las mayores fuentes emisoras de partículas en una ciudad.