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Elementos No. 34, Vol. 6, Abril - Junio, 1999, Página 35
¿POR QUÉ MEDIR LA CALIDAD DEL AIRE?

Apolonio Juárez Núñez
Erika Annabel Martínez Mirón                 


Durante la primavera de 1998 se vivió en México una contingencia atmosférica que afectó a gran parte del país. La carencia de una red de monitoreo del aire en la mayoría de las ciudades del país nos impidió conocer cuantitativamente los niveles de contaminación atmosférica que se alcanzaron durante la primavera de 1998. Este fenómeno también alcanzó a la ciudad de Puebla. En la ciudad de México existe una especial y necesaria atención a los problemas de contaminación atmosférica. Por tal razón, pudimos enterarnos que la contingencia atmosférica no sólo se presentó por las altas concentraciones de ozono (O3), sino también por las altas concentraciones de partículas suspendidas en la atmósfera.

Las fuentes de partículas suspendidas son diversas y abarcan desde las naturales, como polvo volcánico y tolvaneras, hasta las de origen antropogénico (provocadas por el humano) como la combustión de motores y las actividades industriales. Esta crisis atmosférica tuvo su origen en la excesiva concentración de partículas a nivel de la superficie, producto de las emisiones industriales, de la combustión de motores, de diversos factores climáticos y de los incendios que se presentaron en amplias zonas del país. Las partículas suspendidas con diámetro menor a 10 micras* resultan peligrosas para el ser humano, debido a que se las puede inhalar. En la ciudad de México existe una norma para partículas menores a 10 y mayores a 2.5 micras. Sin embargo, la peligrosidad de estas últimas es mayor debido a su composición y a que por su tamaño penetran hasta los alvéolos pulmonares.

Existen otros contaminantes atmosféricos que también afectan la salud del ser humano y que, en zonas urbanas, se encuentran en concentraciones por arriba de lo normal. Estos contaminantes son el dióxido de azufre, los óxidos de nitrógeno, el monóxido de carbono, los hidrocarburos, además del ozono.

En este trabajo exponemos una serie de consideraciones importantes para medir la calidad del aire en una zona urbana, en especial en la ciudad de Puebla. Hacemos énfasis en la descripción y el origen de las partículas suspendidas por dos razones: por su peligrosidad cuando se rebasan los índices permitidos en sus concentraciones y porque éstas estuvieron asociadas a la reciente crisis atmosférica que se extendió a una gran parte de nuestro país.


CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

Los agentes contaminantes del aire se encuentran en forma de gases y partículas de materia y son introducidas a la atmósfera desde fuentes naturales y fuentes antropogénicas. Existen los denominados primarios, que son emitidos directamente al aire por las fuentes de emisión; por ejemplo:

compuestos de azufre (SO2, H2S)
compuestos de nitrógeno (NO, NH3)
compuestos de carbono (hidrocarburos HC, CO)
compuestos de halógeno (halocarbonos, fluorocarbonos, etcétera)
Estos contaminantes se dispersan y son transportados a diferentes lugares de la zona urbana, sufriendo transformaciones físicas y químicas que dan origen a los contaminantes secundarios. Ejemplos de éstos son el ozono troposférico y las partículas de materia como los sulfatos.

Los contaminantes atmosféricos se remueven por precipitación y/o reacción, teniendo impacto negativo en diversos receptores como los seres humanos, ecosistemas acuáticos, vegetación y materiales.


CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS DE CRITERIO

Los contaminantes más abundantes y peligrosos para el ser humano reciben el nombre de contaminantes de criterio y sirven como referencia para la medición de la calidad del aire. Para ellos se han establecido normas que pueden variar de un país a otro y de una ciudad a otra.

El gobierno de México ha establecido criterios para la calidad del aire en la zona metropolitana del Valle de México. Éstos reciben el nombre de Índice Metropolitano de Calidad del Aire (IMECA). En esta escala, valores de 100 corresponden a la norma permitida para cada contaminante; valores de 500, corresponden a concentraciones que producen daños en la salud de la población. El daño que puede causar un contaminante no sólo depende de su concentración, sino del tiempo de exposición y de la sensibilidad de cada persona al contaminante en cuestión.

Tabla I. Niveles de IMECA para los contaminantes de criterio.

CONTAMINANTE
CONCENTRACIÓN
TIEMPO
CO 9.0 ppm* 8 h
  35 ppm 1 h
SO2 0.03 ppm media anual
  0.14 ppm 24 h
O3 0.12 ppm 1 h
NO2 0.05 ppm media anual
Hidrocarburos no-metano (HCNM) 0.24 ppm promedio (6 a 9 h)
Partículas suspendidas totales (PST) 75 mg m-3260 mg m-3 media anual24 h


* partes por millón


CARACTERÍSTICAS Y ORIGEN DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

Partículas

El tamaño de una partícula, suponiéndola esférica, está relacionado con su diámetro. Las partículas se clasifican en: 1) inhalables (o partículas de materia inhalable, PMI), cuyo diámetro es menor a 10 micras. 2) ordinarias, con diámetro mayor a 2.5 micras y 3) finas (o partículas respirables, RPM), cuyo diámetro es menor a 2.5 micras.

Las partículas emitidas directamente por fuentes contaminantes se denominan primarias y son:

- partículas entre 0.1 y 2.5 micras, provenientes de procesos naturales como incendios forestales y procesos de combustión industrial.
- partículas de materiales carbonosos incluyendo carbono elemental y compuestos orgánicos.
- partículas emitidas por los automotores, principalmente en forma de sulfatos y óxidos de nitrógeno, carbono y azufre.
- partículas con metales ligeros (sodio, magnesio, aluminio, silicio, potasio y calcio).
- partículas con metales pesados (titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, níquel, cobre, zinc, plomo, cadmio, arsénico y selenio).
- partículas grandes (polvo transportado por el viento).
- partículas emitidas a partir de actividades industriales.
- partículas de polen, microorganismos e insectos.
- partículas eléctricamente cargadas, con diámetros menores a 0.1 micras, formadas por efecto de la radiación solar y cósmica, material radioactivo y p- rocesos de combustión.

Las fuentes de partículas son:

- incendios forestales o de pastizales.
- emisiones antropogénicas, provenientes de la combustión de combustible, de basura y de actividades industriales.
- suspensión del polvo por la acción del viento o vehículos.
- erupciones volcánicas.
- fuentes extraterrestres que sólo afectan levemente las concentraciones en la capa planetaria límite, pero contribuyen a las concentraciones de polvo- extraterrestre encontradas arriba de los 30-40 km de altura.
- emisiones de la sal del océano generadas por los rompimientos de las olas, la acción del viento en las crestas de las olas o burbujas de espuma rompi- éndose en la superficie del agua.

Las partículas que se obtienen a partir de reacciones químicas en la atmósfera se denominan secundarias. Los principales procesos de producción de este tipo de partículas son:

- la transformación de SO2 en sulfatos, SO-24 .
- la transformación de NO2 en nitratos, NO-13 .
- la transformación de componentes orgánicos en partículas orgánicas.

Adicionalmente, las partículas reflejan hacia el espacio exterior una parte de la radiación solar, la otra parte la absorben y remiten en todas direcciones.

En la atmósfera urbana flota un sinnúmero de partículas suspendidas (sales y óxidos de metales pesados, sustancias orgánicas, etc.), procedentes principalmente de procesos de combustión como: la actividad vehicular, procesos industriales de plantas metalúrgicas y fertilizantes, de almacenamiento y procesado de granos, fabricación de cemento; tolvaneras, o bien, de la formación de nitratos y sulfatos proveniente de aerosoles.


Dióxido de azufre (SO2)

El dióxido de azufre se forma por la oxidación de azufre contenido en los combustibles fósiles y por procesos industriales. Algunas fuentes generadoras son la industria eléctrica, que quema carbón o residuos del petróleo que contienen azufre; refinerías, fundidoras, productoras de carbón industrial, fábricas de ácido sulfúrico e incineradores.


Monóxido de carbono (CO)

El monóxido de carbono es un producto de la combustión incompleta de combustibles carbónicos, cuando no hay suficiente oxígeno para que se convierta completamente en dióxido de carbono. Las principales fuentes de este contaminante en zonas urbanas son los motores de combustión interna usados para el transporte. Otras fuentes importantes de contaminación por CO son las industrias fundidoras, las refinerías de petróleo, los molinos para pulpa de papel, las fábricas de acero y la incineración de la basura.


Dióxido de carbono (CO2)

El dióxido de carbono es un producto de la combustión completa de combustibles carbónicos. Su concentración global ha aumentado constantemente debido a la combustión de carbón y de petróleo. A mayor número de moléculas de él, mayor absorción de calor, provocando el calentamiento global y el cambio climático del planeta.

Las fuentes naturales del dióxido de carbono son la descomposición de materia orgánica, la respiración y todos los procesos que incluyen la combustión de materiales orgánicos.


Hidrocarburos volátiles (HC’s)

Los hidrocarburos incluyen a los compuestos orgánicos, disolventes clorados y no clorados, gas natural y gasolinas entre otros. Estos compuestos son emitidos principalmente a la atmósfera a partir de procesos industriales (químicos, petroquímicos, etc.) y actividades en las que se emplean disolventes orgánicos: pintura y emisión residual en la combustión de gasolinas.


Óxidos de nitrógeno (NOx)

El óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2) son gases tóxicos que se producen durante los incendios o por la combustión de las gasolinas oxigenadas a altas temperaturas. El dióxido de nitrógeno es producido por las bacterias, a partir de los fertilizantes nitrogenados artificiales con los que se abonan los cultivos.


Ozono troposférico (O3)

El ozono troposférico se puede producir por descargas eléctricas, por oxidación de CO y CH4 y por difusión desde la estratosfera. Su fuente principal como contaminante en las grandes ciudades industriales proviene de la mezcla de gases como óxidos de nitrógeno e hidrocarburos (precursores) que reaccionan en presencia de luz. La formación del ozono troposférico es acompañada, además, por contaminantes fotoquímicos que incluyen aldehídos, ácido nítrico y peróxido de hidrógeno, entre otros.


Clorofluorocarbonos

Los clorofluorocarbonos son los principales responsables de la destrucción de la capa de ozono y son compuestos que no existen de manera natural en la atmósfera, sino que son producto de la actividad humana.

Estos compuestos, constituidos por cloro, flúor y carbono, son emitidos a la atmósfera como consecuencia de su uso en aerosoles, espumas plásticas, refrigerantes y en la industria microelectrónica.

Los clorofluorocarbonos se descomponen en presencia de radiación ultravioleta proveniente del Sol a una altura superior a 40 km. El cloro liberado de esta descomposición reacciona con el ozono originando monóxido de cloro (ClO), que puede reaccionar tanto con átomos de oxígeno, como con monóxido de nitrógeno. Después de la reacción, el átomo de cloro queda nuevamente libre e inicia otro ciclo de destrucción de ozono. Cálculos recientes muestran que un átomo de cloro en la estratosfera puede destruir hasta cien mil moléculas de ozono, antes de desaparecer por condensación en forma de lluvia ácida o algún otro proceso.

Además de la presencia de compuestos clorofluorocarbonados existen otros compuestos halocarbonados, tales como los yodocarbonos y bromocarbonos, que al igual que los clorofluorocarbonos sufren una disociación por acción de radiación ultravioleta, liberando átomos de yodo y bromo que destruyen (en menor proporción que el cloro) la capa de ozono, debido a su menor concentración atmosférica.


Metano

Aunque no está considerado como un contaminante, el metano que se produce por los procesos de descomposición anaerobia (sin aire) en los cultivos de arroz, así como por la digestión intestinal del ganado, contribuye al incremento del efecto invernadero. De hecho, el metano es mucho más eficiente que el dióxido de carbono para incrementar el efecto invernadero, aunque este último gas se emite en mucho mayores cantidades que el metano.


EFECTOS SOBRE LA SALUD

La contaminación atmosférica afecta la salud del ser humano. El impacto depende de las condiciones climáticas, geográficas y de la sensibilidad de cada organismo. En especial, en las grandes ciudades industriales, los contaminantes atmosféricos emitidos en grandes cantidades dañan la salud de sus habitantes. A manera de ejemplo podemos decir que el smog, además de incidir en la reducción de visibilidad, irrita los ojos y los órganos respiratorios. Como consecuencia de respirar el smog, se incrementan las enfermedades respiratorias (muerte inclusive), especialmente en personas de edad avanzada. En la Ciudad de México, los altos índices de contaminación atmosférica contribuyen en gran proporción al agravamiento de enfermedades respiratorias.

El monóxido de carbono es un contaminante atmosférico peligroso y abundante en las grandes ciudades industriales. Este contaminante afecta la función neuronal de las personas en diversos grados, afecta al sistema nervioso central provocando asfixia, dolor de cabeza, mareos, zumbido en los oídos, somnolencia y dificultad para respirar.

El ozono aumenta la incidencia de asma y produce trastornos respiratorios, ocasiona depresión, náuseas, cianosis, dolor de cabeza, lesiones cutáneas e irritación en los ojos.

Las partículas suspendidas, principalmente las de plomo, causan anemia, lesión en los riñones y en el sistema nervioso central.

Tabla II. Efectos sobre la salud debido a los principales contaminantes atmosféricos.

CONTAMINANTES
EFECTOS SOBRE LA SALUD
Anhídrido sulfuroso Irritación y espasmos bronquiales
Partículas Irritación de los bronquios, factor cancerígeno
Ácido clorhídrico Irritación de ojos y bronquios
Óxidos de itrógeno Irritación de los bronquios
Ozono Irritación de los bronquios, asma
Aldehídos Irritación de los bronquios, efecto cancerígeno
Monóxido de carbono Trastornos respiratorios y sensoriales
Plomo Saturnismo
Hidrocarburos Efecto cancerígeno, irritación de los bronquios


CRITERIOS PARA MEDIR LA CALIDAD DEL AIRE

Conocer la concentración de contaminantes en un área en la que viven millones de personas se vuelve importante cuando existen fuentes o factores que tienden a incrementar las concentraciones de esos contaminantes. Algunos criterios que se tienen que tomar en cuenta para medir la calidad del aire son los siguientes:

- que existan razones o necesidades de efectuar un estudio de calidad del aire en el lugar de interés,
- que se realice un inventario considerando el número, los tipos (puntuales, lineales, superficiales) y las características (tasas de emisión, localización y los parámetros mecánicos, termodinámicos y geométricos) de las fuentes contaminantes y los contaminantes involucrados,
- que se cuente con los datos de emisiones disponibles y la contaminación de fondo,
- que se tenga información sobre las escalas temporales (instantáneas, corto plazo, largo plazo) y espaciales (local, regional, nacional, global) del problema,
- que se tenga información sobre el tipo de zona (rural, urbana, semiurbana, costera) y las características del terreno (plano, complejo, semicomplejo, obstáculos importantes, existencia de lagos o ríos, etc.),
- el tipo, la cantidad, la calidad y la disponibilidad de la información meteorológica y micrometeorológica de la zona, y
l- a disponibilidad de recursos de cómputo para la realización de las corridas del modelo o modelos necesarios.

Los modelos de calidad del aire pueden clasificarse, en base al tipo de impacto que presentan, en:

- impacto local de emisiones de rutina de contaminantes no reactivos (o que se suponen químicamente no reactivos),
- impacto local de emisiones de rutina de contaminantes químicamente reactivos,
- impacto local sobre la visibilidad atmosférica debido a emisiones rutinarias,
- impacto local de grandes descargas accidentales de contaminantes,
- impacto regional de emisiones de rutina (por ejemplo, ozono, lluvia ácida, etc.).

Los modelos de impacto regional no consideran, en general, el impacto de una sola fuente emisora de contaminantes. A tales modelos conciernen los efectos sobre la calidad del aire debido a varias categorías de fuentes de emisión ubicadas todas dentro de un área regional o urbana.


TECNICAS PARA MEDIR CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

Las técnicas para detectar y medir contaminantes en el aire son en general complejas y tienen como base fenómenos físico-químicos que se presentan en la atmósfera. Estas técnicas han contribuido al entendimiento de los procesos que ocurren en la atmósfera y se han construido sistemas complejos que van desde el uso de satélites, hasta sistemas que tienen como base reacciones físico-químicas locales.

Una de las técnicas más usuales se basa en el hecho de que los átomos y las moléculas absorben y emiten energía electromagnética de manera discreta y en regiones bien definidas del espectro. Así, para la mayor parte de los contaminantes que tienen que ver con el efecto invernadero, se usa la propiedad de que esos contaminantes absorben y emiten energía en la región infrarroja del espectro electromagnético.

Los cinco contaminantes de criterio que se utilizan como estándares en el estudio de la calidad del aire son CO, NO2, O3, SO2 y los hidrocarburos no-metano (NMHC). En la siguiente tabla se mencionan algunas de las técnicas usadas para medirlos.

Tabla III.

TÉCNICA
LÍMITE DE

DETECCIÓN

CO
  • Espectrometría infrarroja no dispersiva
  • Cromatografía de gases
  • Sensores electroquímicos
  • Análisis colorimétrico
1 ppm

0.02 ppm

1 ppm

³ 1 ppm

NMHC
  • Cromatografía con detección de ionización de flama
  • Fotoionización 
    1. ppmC
> 0.1 
NO2
  • Quimilumniscencia (O3)
10 ppt
O3
  • Quimilumniscencia
  • Absorción UV
  • Método de Potasio Yodo (KI)
2 ppb

1 ppb

3 ppt

SO2
  • Fluorescencia
  • Cromatografía de gases

  • Conductométrica
  • Colorimetría
5 ppb

2-10 ppb

5-40 ppb

2-10 ppb



PLAN DE ACCION PARA MEJORAR LA CALIDAD DEL AIRE

Una vez que se atienda la urgente tarea de instalar una red de monitoreo atmosférico y que exista acuerdo en la norma que regirá para la ciudad de Puebla, será necesario desarrollar medidas preventivas para mejorar su calidad. La experiencia que existe a partir de la prevención de contaminantes atmosféricos en otras ciudades del país, indica que deben de ser atendidos los siguientes aspectos:

Parque vehicular (se debe de tomar en cuenta que en zonas urbanas casi las tres cuartas partes de la contaminación atmosférica proviene de los automotores y que el transporte con placas federales no verifica):
Promover la renovación de la flota de transporte público y de taxis mediante, por ejemplo, incentivos de carácter fiscal.
Instalar sistemas para controlar y agilizar el tráfico de vehículos incorporando adelantos tecnológicos que hagan fluido y eficiente el transporte por automotores.
Promover la planeación y reorganización de las rutas de autobuses para reducir el uso de vehículos privados.
Reforzar el programa de verificación vehicular, incluyendo su renovación técnica y administrativa.
Implantar un programa permanente para la detección de vehículos ostensiblemente contaminantes.
Diseñar e instrumentar campañas de monitoreo de emisiones vehiculares con técnicas de medición remota.
Industria y servicios:
Desarrollar una campaña de capacitación y de certificación de personal para el manejo adecuado de equipos de combustión.
Promover el otorgamiento de incentivos fiscales y sistemas de financiamiento en la adquisición de equipo de control de partículas y de conversión de combustibles de gasolina a gas natural.
Establecer convenios con la industria para controlar y reducir las emisiones de partículas, de precursores de ozono y de dióxido de Azufre.
Reforzar las labores de inspección y vigilancia.
Desarrollar esquemas de participación voluntaria de autorregulación.
Disminución de la emisión de partículas:
Reforestar las áreas urbanas y las zonas periféricas a la ciudad de Puebla.
Desarrollar una campaña intensiva de pavimentación de las calles.
Reordenamiento urbano:
Instalar la red automática de monitoreo de la calidad del aire y realizar un estudio de evaluación, expansión y reforzamiento de ella.
Involucrar a las instituciones de educación superior en actividades de capacitación, investigación e intercambio de información.
Actualizar el inventario de emisiones de fuentes fijas.
Desarrollar una campaña de educación para la comunidad sobre la contaminación del aire.
Gestionar apoyos para la obtención de recursos económicos y asistencia técnica para la instrumentación del programa.
Estudiar las posibilidades de desarrollar un sistema de transporte colectivo eléctrico.
Diseñar e instrumentar el programa de respuesta a contingencias ambientales.
Impulsar la realización de estudios de monitoreo ambiental y exposición a contaminantes.
Diseñar y desarrollar un programa de aseguramiento de la calidad de combustibles, tanto para la industria como para los vehículos.
Diseñar e instrumentar un programa de reconocimiento público para la promoción y ejecución de acciones de mejoramiento de la calidad del aire.


DISCUSION Y CONCLUSIONES

Las principales ciudades del país requieren de manera urgente la instalación de un sistema de monitoreo atmosférico, permanente y automático porque su parque vehicular, miles de industrias de todo tamaño instaladas en ellas, así como establecimientos comerciales y de servicios, que contribuyen permanentemente a la contaminación atmosférica. Además, el continuo crecimiento urbano exige una creciente demanda de transporte, energía y actividad industrial, que a su vez incrementa dicha contaminación.

En un trabajo anterior (Medición de la calidad del aire en la ciudad de Puebla A. Juárez et. al.), se mencionaron las características geográficas y climáticas de la ciudad de Puebla y su influencia en los problemas de contaminación atmosférica y, también mediciones parciales en tiempo y espacio de la calidad del aire de Puebla. De tales mediciones se puede concluir que en las horas pico de flujo vehicular (aproximadamente 400 000 vehículos), en algunas regiones con intenso tráfico, se rebasa la norma oficial mexicana establecida para ozono y para las partículas suspendidas.

Aunque cada vez es mayor el número de personas que entienden el origen y vislumbran la magnitud del problema, existen algunos sectores que manifiestan su escepticismo ante él. Las consecuencias, dicen estas personas, no son tan graves y la afectación no es tan alta como se quiere presentar.

Sin embargo, los datos parciales de que se disponen, indican que el problema es serio y tiende a agravarse. Sin duda un aspecto en el que cualquier persona podría estar de acuerdo, sería en la necesidad de saber con certeza, cual es la calidad del aire que respiramos los que vivimos en la ciudad de Puebla.

Para enfrentar de manera efectiva el problema de la contaminación atmosférica, es necesario primero conocer cuantitativamente las concentraciones de los contaminantes de criterio y desarrollar e implementar un programa integral (ver el punto 6), que se encamine a la reducción progresiva de las emisiones contaminantes provenientes de los vehículos, de la industria y atacar las causas de la erosión y los incendios forestales. Un programa de este tipo tendría como objetivo proteger la salud de los habitantes de la ciudad de Puebla y de las zonas circunvecinas, con acciones específicas que prevengan y controlen la contaminación atmosférica tanto por agentes químicos como físicos.

Por lo anterior, nuevamente llamamos la atención sobre la necesidad de instalar en la ciudad de Puebla una red permanente y automática de monitoreo atmosférico. La calidad de vida en un país y/o en una ciudad, depende también de la calidad del aire que se respira y Puebla requiere con urgencia que se conozca y mida sistemáticamente la calidad del aire que respiramos los que aquí vivimos.


REFERENCIAS

Juárez, A., Miranda, A., Medición de la calidad del aire en la Ciudad de Puebla, Ediciones UAP, 1997.
Zannetti, P., Air Pollution Modeling. Theories computational methods and available software, Edit. Computational Mechanics Publications, 1986.
Finlayson-Pitts, B., Pitts, Jr . J. N., Atmospheric Chemistry: Fundamental and experimental techniques,. Edit. John Wiley & Sons, New York, 1986.
Legorreta, J., La grave contaminación atmosférica de la ciudad de México, Ciencias, 22, 1996.
Ingersoll, A., La Atmósfera, Libros de investigación y Ciencia, Edit. Prensa Científica, 1987.
De la Garza Castro, J., Gestión de calidad del aire en el área metropolitana de Monterrey, Calidad ambiental, vol.3 número 6, 1997.


Apolonio Juárez Núñez y Erika Annabel Martínez Mirón
Laboratorio de Física Moderna, Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, UAP
ajuarez@fcfm.buap.mx




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