Caracterización de las particulas atmosféricas en el ambiente urbano de elche

  1. Nicolás Aguilera, Jose Francisco
Supervised by:
  1. Jame Javier Crespo Mira Director
  2. Nuria Galindo Corral Co-director

Defence university: Universidad Miguel Hernández de Elche

Fecha de defensa: 16 October 2008

Committee:
  1. Carlos Pastor Antón Chair
  2. Adoración Carratalá Gimenez Secretary
  3. Xavier Querol Carceller Committee member
  4. Franco Lucarelli Committee member
  5. Millán Millán Muñoz Committee member

Type: Thesis

Teseo: 185551 DIALNET

Abstract

RESUMEN TESIS La caracterización de la materia particulada en suspensión (PM) en el ambiente urbano de la ciudad de Elche constituye el objetivo principal de este trabajo. La caracterización está enfocada al análisis de las fracciones másicas PM10 y PM2.5, mediante la determinación de sus evoluciones temporales, composiciones químicas y sus posibles fuentes emisoras. Las técnicas aplicadas en la determinación de la composición química del material particulado han sido la cromatografía iónica y el análisis multielemental PIXE. La determinación de fuentes ha sido llevada a cabo mediante la técnica estadística del Análisis de Componentes Principales (ACP). Para caracterizar el ambiente urbano de la ciudad, se ha elegido, una estación de fondo urbano. El estudio incluye medidas realizadas en el periodo de tiempo comprendido entre enero de 2003 y diciembre de 2005. Los principales resultados y conclusiones obtenidos en esta memoria, estructurados en bloques temáticos, son los siguientes: - Niveles de PM, variabilidad, importancia de eventos y situación frente a la normativa Podemos considerar que los niveles anuales medios obtenidos en la fracción PM10 son comparables con los registrados en otras ubicaciones peninsulares de similares características. Mientras, los determinados en la fracción PM2.5 son algo inferiores al rango habitual. Este hecho es confirmado con los valores medios anuales obtenidos del ratio PM2.5/PM10, que en ninguno de los años analizados llega a 0,5. La estacionalidad manifestada en los niveles de PM viene caracterizada en la fracción PM10 por máximos durante el verano y el invierno. En PM2.5, también se registran picos durante los meses de invierno; sin embargo, el resto del año sus niveles se mantienen bastante constantes. Esta tendencia anual en ambas fracciones viene en parte determinada por una sucesión temporal, a lo largo del año, de determinados eventos con diferentes influencias en ambas fracciones másicas. Dos son en la zona de estudio los principales eventos que mayor repercusión tienen sobre los niveles de PM: las intrusiones saharianas y los periodos de estancamiento atmosférico. Como principales aspectos respecto al paso de polvo mineral procedente del norte de África, destacar que su frecuencia de entrada se incrementa durante la primavera y el verano, si bien su mayor intensidad se produce, además de en los meses estivales, durante el otoño. En conjunto las intrusiones saharianas afectan a un 25% de días al año (aunque únicamente sobre el 60% de ellas repercuten a nivel de superficie). Estas entradas tienen mayor incidencia sobre la fracción PM10 que sobre el PM2.5, por lo que el ratio PM2.5/PM10 durante estos eventos (0,35) disminuye respecto de su valor medio anual (0,47). Su contribución porcentual másica a la concentración media anual de PM10 se sitúa entre el 12% y el 14%. En cuanto a los periodos de acumulación, decir que se producen fundamentalmente durante el invierno y el otoño y representan sobre un 8% del total de días al año. La fracción fina es más sensible a este tipo de episodios por lo que durante su transcurso el ratio PM2.5/PM10 aumenta hasta valores entorno a 0,60. Su contribución porcentual másica a la concentración media anual de PM10 se sitúa entre el 5% y el 8% y es algo más elevada, entre el 9 y el 12%, para la fracción PM2.5. Por su parte, el efecto tanto del viento como de las advecciones atlánticas es el de reducir los niveles de PM, tanto en PM10 como en PM2.5. La importancia de la contaminación local y los episodios africanos en las superaciones del valor límite de PM10 impuesto por la legislación europea y sobre el valor recomendado para la fracción PM2.5 es substancial. Únicamente con estos dos tipos de episodios las superaciones de PM10 se pueden justificar en más de un 90% de los casos, y en más del 75% en la fracción PM2.5. En referencia a la situación observada frente a los valores límite fijados por la última normativa del Parlamento Europeo y del Consejo relativa a la calidad del aire ambiente y a una atmosfera más limpia en Europa, de 28 de Marzo de 2008, podemos concluir que: -En cuanto a valores límite anuales fijados por la normativa para PM10 y PM2.5, el ambiente urbano de la ciudad presenta niveles inferiores a dichos límites por un amplio margen, algo superior en el caso de la fracción PM2.5. -En lo que hace referencia al número de superaciones del valor límite diario en la fracción PM10, estas exceden el límite fijado. Sin embargo, aplicando el descuento por eventos naturales, el nº de superaciones anuales resulta inferior a las 35 superaciones permitidas. - Distribución másica según tamaño de partícula La distribución másica según tamaño de partícula ha mostrado tener un carácter bimodal en la moda gruesa, encontrándose los dos máximos en los intervalos de tamaño 2-3 µm y 5-7,5 µm. Asimismo, se observa parte de un máximo ubicado en la moda de acumulación. La evidencia de la resuspensión de partículas procedentes del pavimento debido al tráfico rodado se ha manifestado preferentemente en la concentración másica de partículas con tamaños entre 7,5 y 15 µm. Se han obtenido resultados específicos para determinadas situaciones no habituales. Así, en la contribución másica producida en periodos caracterizados por registrar elevadas velocidades de viento, el 95% del total de este aporte másico es debido a las partículas con diámetros superiores a 5 µm. La misma circunstancia en los días en los que se lanzan fuegos artificiales desplaza la contribución másica de las partículas a diámetros más pequeños, de hecho el 40% del total de esta contribución se localiza en intervalos de tamaño inferiores a las 0,5 µm. Para el caso de las masas de aire cargadas de polvo procedentes del norte de África, la distribución se caracteriza por presentar un máximo bastante acusado en el intervalo 2-3 µm. No obstante, y aunque es obvia la influencia de los eventos citados, podemos decir que, en general, son causas propiamente urbanas (tráfico, actividades de construcción, etc.) las que modulan la distribución másica por tamaños. - Composición química y fuentes del PM10 y PM2.5 La mayoría de los niveles de concentración de los elementos/iones analizados tanto en PM10 como en PM2.5 están dentro de los rangos de concentración obtenidos en otras estaciones de similar ambiente. No obstante, los niveles registrados de NO3-, y sobre todo de SO42- son elevados para una estación de fondo urbano. No se debe descartar, sobre todo en lo que hace referencia al SO42-, una influencia industrial de zonas limítrofes. En ninguno de los elementos con normativas reguladoras se superaron los valores límite estipulados. Elementos, como As o Cd, de conocida toxicidad ambiental, fueron detectados en la mayoría de los casos con concentraciones por debajo de sus límites de detección. Por su parte, la distribución de los elementos en las fracciones fina y gruesa ha sido la esperada: elementos de procedencia crustal o marina presentan su contribución másica mayoritaria en la fracción gruesa mientras que los elementos emitidos por fuentes de carácter antrópico se distribuyen de forma preferente en la fina. El balance entre especies iónicas ha proporcionado considerable información sobre los compuestos formados en cada una de las fracciones másicas. La fracción PM10 presenta un ligero déficit aniónico consecuencia de la exclusión en el balance del carbonato soluble; se estima que su neutralización corresponde al ión Ca+2. Por su parte, se ha determinado que en la fracción gruesa el NO3- está completamente neutralizado por Na+ y Ca+2. El balance iónico en la fracción fina muestra dos diferencias frente al encontrado en PM10: en primer lugar, la contribución de CO3-2 es bastante menor que en PM10 y, por otra parte, en esta fracción, todo el nitrato y el sulfato están neutralizados por amonio. Las fuentes obtenidas en PM10 y PM2.5, así como su contribución y evolución temporal, han sido las propias de un entorno cercano a la costa y carente de industrias locales emisoras de PM. La fuente crustal es la que en un mayor porcentaje representa la variabilidad en los niveles de PM10 (43,9%), cediendo esta primacía a la formación de compuestos secundarios inorgánicos en la fracción fina (54,3%). Hay que destacar precisamente en esta fracción una diversificación en la fuente de tráfico, pudiéndose distinguir dos vías de emisión: por una parte, las partículas procedentes del tubo de escape, con componentes representativos como el Cl, Br o el NO3- y, por otra, la debida a la abrasión de neumáticos y desgaste de frenos, justificada con la presencia de elementos como el Cu o el Zn. Indicar la desaparición en la fracción fina de la fuente marina. - Influencia de eventos en la composición química del PM10 y PM2.5 El estudio de la influencia de los principales eventos que alteran la composición química de PM ha reportado diversos resultados específicos para cada uno de ellos. En términos de concentración, la principal alteración que producen las entradas de polvo sahariano en la zona de estudio radica en el incremento de los iones secundarios: sulfato, amonio y nitrato; sin embargo, este incremento se produce de forma desigual. El aumento de los niveles de polvo mineral consecuencia de las intrusiones produce un mayor incremento de las concentraciones de sulfato que de nitrato, en la fracción PM2.5. En la fracción gruesa es el nitrato quien experimenta los incrementos másicos más destacables. Los elementos crustales también ven aumentados sus niveles, sobre todo en la fracción PM10. Es el Ti, el cual puede llegar a triplicar su valor durante estos episodios, el elemento que más incrementa su concentración y su porcentaje de contribución en el valor total de PM10, por lo que resulta un buen indicador para detectar estas entradas de polvo en la región de estudio. Los episodios de acumulación producen un mayor incremento en las concentraciones de sulfato, amonio y nitrato que las intrusiones saharianas; sin embargo, en este caso el aumento de los niveles de nitrato es más importante que el registrado para el sulfato ya que en la zona de estudio las emisiones de óxidos de nitrógeno superan a las de dióxido de azufre. En periodos de alta estabilidad atmosférica el aumento porcentual de las concentraciones de los iones inorgánicos secundarios en PM2.5 es mayor que en PM10. El amonio también incrementa sustancialmente sus niveles, tal es así que durante estos episodios el NH4NO3, en promedio, llega a representar el 30% de la concentración másica de PM2.5. Además de los compuestos iónicos son los elementos de carácter más antropogénico, como V, Cu, Pb o Zn, los más sensibles, tanto en PM10 como en PM2.5. El efecto del viento en PM10 y en PM2.5 es similar: reducción de los niveles másicos de concentración, si bien la efectividad en ésta disminución es algo inferior en la fracción fina. El viento tiene un efecto de limpieza atmosférica que repercute preferentemente en los compuestos inorgánicos secundarios y también en el aerosol marino.