Caracterización y transporte del aerosol atmosféricomedio urbano, rural y quema de biomasa

Resumen

Los aerosoles atmosféricos son partículas sólidas y/o líquidas presentes en suspensión en una masa de aire, con exclusión de las gotas (o cristales) de nubes y de lluvia. La compleja composición química del material particulado atmosférico, su granulometría, sus numerosas fuentes, su variabilidad espacial y temporal, así como su marcado impacto en múltiples campos (salud humana, clima, ecosistemas, etc.), evidencian la necesidad del estudio y la caracterización de los aerosoles en distintas regiones del planeta y en diferentes épocas del año. A largo de este trabajo se abordan varios aspectos relacionados con el mundo del material particulado atmosférico. Los principales objetivos planteados son tres: 1. Estudiar la composición química del aerosol urbano en la ciudad de Toulouse (Francia) así como sus cambios intra-anuales, intra-estacionales y su influencia en áreas rurales próximas, con el fin de encontrar posibles factores que determinen la variación y los mecanismos de formación de elementos secundarios. De este modo, será posible explicar la variación y la contribución relativa de fuentes tanto naturales como antrópicas. 2. Caracterizar al aerosol procedente de la quema de dos tipos de biomasa, enmarcados dentro de dos procesos diferentes: a) un incendio forestal y b) la quema de restos de paja de cereal (rastrojo), así como poner de manifiesto su papel en el forzamiento radiativo. 3. Estudiar la evolución de la composición química del aerosol y de la precipitación en una estación de fondo EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme), con el fin de revelar la relación de las diferentes escalas de transporte, implicando la influencia de las diferentes fuentes, en nuestra zona de estudio. La metodología seguida en cada uno de los temas abordados es diferente. 1. En medio urbano.- Muestreo durante un año de las fracciones PM10 y PM2.5 en el centro urbano de Toulouse y estudio de las concentraciones de los principales iones presentes (SO42-, NO3-, NH4+, Ca2+, Na+, Cl-, Mg2+ y K+), de los principales metales (Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Cu, Fe, La, Mn, Ni, Pb, Sr, Th, Ti y Zn) y de las concentraciones de carbono orgánico, carbono elemental y carbono total. Se ha analizado la evolución estacional de la composición química del aerosol urbano y se han intentado determinar las principales fuentes de contaminantes. Por otra parte, a través del estudio de la posible llegada del aerosol urbano a un medio rural (Escalquens) situado a 15 km de Toulouse, se ha puesto de manifiesto el envejecimiento químico que sufren las partículas atmosféricas emitidas en una gran ciudad francesa como Toulouse durante su transporte. 2. Quema de biomasa.- a) Incendio forestal: estudio de los cambios en las distribuciones de tamaños de los aerosoles originados por la presencia de una inversión térmica de subsidencia a diferentes distancias del incendio, así como el forzamiento radiativo generado por las emisiones procedentes de dicho incendio. b) Quema de rastrojo. En condiciones de campo se estudió el cambio en las distribuciones de tamaño del aerosol a lo largo de su transporte desde la zona de quema hasta la sonda de aerosoles (situada a 3.5 km de la combustión). En condiciones de laboratorio se estudiaron los cambios que se producen en las distribuciones de tamaño antes, durante y tras la quema de restos de paja de avena y cebada. Este estudio se completó con otros análisis (espectrometría de masas, análisis termogravimétrico, inmediato, elemental y análisis del poder calorífico). 3. Estación de fondo.- Se ha querido poner de manifiesto la importancia de la contaminación atmosférica transfronteriza a través del análisis de los datos recogidos en la estación de fondo EMEP situada en Víznar (Granada), durante el periodo 2002-2006. Se ha estudiado la evolución de la composición química del aerosol (PM2,5, PM10, SO42-, NO3- y NH3+NH4+ ) y de la precipitación (contenido de SO42-, NO3- ,NH4+ , H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+ y Cl-, pH y conductividad) durante dicho periodo. Con la ayuda del modelo Hysplit se ha realizado una clasificación de la procedencia de las masas de aire que llegan a la zona de estudio identificando nueve categorías (Marítimo Polar, Marítimo Tropical, Continental, Ártica, Local, Mediterránea, Sahariana 500m, Sahariana 1500m y Sahariana 3000 m), y se han caracterizado por medio de la composición química del aerosol y de la precipitación recogida. Como conclusiones más destacadas cabe mencionar: 1. El estudio de las concentraciones de aerosoles en el medio urbano de Toulouse muestra que PM2,5 constituye una importante fracción de PM10 con un claro predominio del aerosol carbonoso. El sulfato presenta sus máximos en los meses cálidos y el nitrato en los meses fríos, resultado de la marcada actividad fotoquímica presente durante el verano, que favorece la formación de sulfato, y de las bajas temperaturas, que favorecen la reacción entre el amoniaco y el ácido nítrico gaseosos para formar nitrato amónico en fase particulada. El níquel y el cromo aparecen como elementos metálicos destacables. Existe una compleja influencia de múltiples fuentes en el área de Toulouse (marino, tráfico, industrial y crustal). Debido a la dispersión que sufren los contaminantes a lo largo de su transporte, las concentraciones másicas encontradas en Toulouse fueron casi un 66% superior a las registradas en Escalquens. 2. La brusca aparición de una inversión térmica de subsidencia inhibió la dispersión vertical ascendente del material particulado emitido por un incendio forestal en un valle de la localidad de Villablino (León) originando un incremento en la concentración de partículas (pasó de un promedio de 2900 a 10 000 partículas cm-3). Tras la inversión, se produjo un desplazamiento, especialmente de la moda fina, hacia mayores tamaños de las partículas. Los forzamientos radiativos atmosféricos (entre +44,2 y +85,3 W m-2) indican la absorción de la radiación solar en la atmósfera por los aerosoles generados durante el incendio. La combustión de rastrojo de cebada en el laboratorio genera un mayor número de partículas de diámetro menor de 0,5 micras, que en muestras de avena (74% frente al 59%). La quema de rastrojos en el campo genera una gran cantidad de partículas, pero resultan ser, en lo que a la calidad del aire se refiere, de influencia muy local, ya que no son grandes las superficies quemadas y dependen de las condiciones meteorológicas. 3. En la estación EMEP de Víznar destaca especialmente el registro de un marcado incremento de la concentración de NH3+NH4+ del aerosol durante los últimos años, también registrado en la concentración de NH4+ presente en el agua de lluvia. No se han detectado problemas de lluvia ácida (el pH fue siempre superior a 5,6). La química de la precipitación aparece dominada por el calcio y el sulfato que constituyen un 28% y un 17% de la concentración volumétrica total, respectivamente. Destacan las entradas de masas de aire saharianas, por su elevada carga de partículas así como por el elevado pH y la elevada concentración de cationes (principalmente Ca2+) asociados al agua de lluvia. La categoría Mediterránea apareció como la más contaminada de las tres categorías marítimas establecidas (Marítimo Polar, Marítimo Tropical y Mediterránea).