Influencia de la microestructura de la precipitación en las características del aerosol atmosférico

  1. DEL BLANCO ALEGRE, CARLOS
Supervised by:
  1. Roberto Fraile Laiz Director
  2. Ana Isabel Calvo Gordaliza Co-director
  3. Amaya Castro Izquierdo Co-director

Defence university: Universidad de León

Fecha de defensa: 08 October 2021

Committee:
  1. Francisco José Olmo Reyes Chair
  2. María Delia Fernández González Secretary
  3. Célia Anjos Alves Committee member
Department:
  1. DEP. DE QUÍMICA Y FÍSICA APLICADAS

Type: Thesis

Abstract

La contaminación atmosférica es uno de los principales problemas que afectan a la población mundial en el siglo XXI. Es provocada por gases [destacando el monóxido de carbono (CO), el ozono (O3), y los óxidos de nitrógeno (NOx)] y material particulado (PM). Este material particulado o aerosol atmosférico se define como el conjunto de partículas sólidas y/o líquidas (excepto los hidrometeoros) que están suspendidas en el aire, cuyo tamaño se encuentra en un intervalo entre 0.001 y 100 μm. Los aerosoles pueden ser partículas biogénicas (polen, esporas, virus o bacterias) y no biogénicas (polvo mineral, sales marinas, carbono negro…) que interactúan entre sí, pudiendo provocar graves efectos sobre la población, el medio ambiente y el clima. Los aerosoles atmosféricos son polidispersos, es decir, presentan un amplio rango de tamaños que puede variar desde nanómetros hasta decenas de micras. El material particulado se clasifica en función de su tamaño en PM10, PM2.5 y PM1 que son aquellas partículas con un diámetro aerodinámico inferior a 10 µm, 2.5 µm y 1 µm, respectivamente. El tamaño de las partículas de aerosol depende de sus fuentes, sumideros y su transporte a través de la atmósfera. También los procesos meteorológicos contribuyen a la variabilidad espacial y temporal de su composición, concentración y distribución de tamaños. Uno de los componentes del material particulado con mayor efecto sobre el clima y la salud es el carbono negro o Black Carbon (BC). Se trata de un contaminante de corta vida media, cuya principal característica es que absorbe fuertemente la luz visible. El BC es emitido por la combustión incompleta de combustibles fósiles y biomasa, por lo que sus fuentes principales son los motores diésel utilizados para el transporte y los combustibles sólidos utilizados en instalaciones domésticas e industriales. Cabe resaltar que el BC es el segundo contribuyente al calentamiento global, después del CO2, con un forzamiento radiativo medio global estimado de 0.4 a 1.2 W m−2. Dada la importancia del material particulado atmosférico, es vital el estudio de sus principales sumideros: la deposición seca y húmeda. Esta última, en la que nos centraremos en la presente tesis doctoral, es el proceso por el que los aerosoles son barridos (scavenging) por hidrometeoros en la atmósfera, depositándolos sobre la superficie terrestre. Existen dos tipos de scavenging en función de dónde ocurre el proceso: dentro de la nube o ICS (In-Cloud Scavenging) o bien debajo de la nube o BCS (Below-Cloud Scavenging), a través de los procesos de precipitación, que pueden tomar diversas formas: lluvia, tormenta, granizo, nieve, etc. El BCS tiene lugar mediante diferentes mecanismos de barrido (difusión browniana, interceptación, impacto inercial, termoforesis, difusioforesis y efectos electrostáticos) que actúan entre los hidrometeoros y las partículas de aerosol. El peso específico de cada mecanismo dependerá de las condiciones de la atmósfera y de las características de la precipitación y los aerosoles. Cabe destacar que el proceso de interacción aerosol-gota de lluvia es complejo debido a que su diferencia de tamaño es de varios órdenes de magnitud. La interacción gota-aerosol se modela a partir de la eficiencia de colisión, que se define como la fracción de las partículas de aerosol con diámetro dp, contenidas en el volumen de colisión, que se recogen por la caída de gotas de lluvia de diámetro Dr. Para estimar la eficiencia de lavado de los aerosoles en la atmósfera real se utiliza el coeficiente λ de lavado de aerosoles por la precipitación, que expresa el cambio temporal en la concentración de partículas de aerosol. Otro parámetro útil para evaluar el efecto de lavado es el porcentaje de variación de la concentración de partículas de aerosol (%ΔC), para determinar el cambio en la concentración entre dos instantes dados. La presente Memoria está dividida en 12 Capítulos: el Capítulo 1 presenta una breve introducción teórica tanto de la contaminación atmosférica y sus características como de la precipitación. El Capítulo 2 detalla los objetivos generales y específicos de la tesis doctoral y una presentación de la estructura de esta Memoria. El Capítulo 3 incluye una descripción detallada del material y métodos utilizados en el estudio, especificando los procedimientos llevados a cabo durante la campaña de muestreo y el tratamiento de datos. En los Capítulos 4 al 11 se muestran los resultados obtenidos con un formato similar al de los artículos científicos. Finalmente, en el Capítulo 12 se establecen las principales conclusiones, aplicaciones y perspectivas futuras de la investigación. El Capítulo 4 constituye un estudio del lavado de las partículas ultrafinas (UFP; <100 nm) y de acumulación, así como su dependencia con los diferentes tamaños de las gotas de lluvia en un entorno urbano. Se utilizó un espectrómetro de movilidad eléctrica (SMPS) para medir las partículas de aerosol y un disdrómetro láser (LPM) para analizar las variables físicas de las gotas de lluvia (intensidad de precipitación, precipitación acumulada, número de gotas en los 22 canales, volumen barrido y tamaño medio de las gotas de lluvia). Se realizó un análisis de la eficiencia de barrido y del coeficiente de lavado (λ) según las intensidades de la lluvia, en los distintos rangos de tamaño del aerosol. Además, se determinó el impacto en la salud humana a través de la fracción de partículas que alcanza las distintas zonas del tracto respiratorio (fracción respirable). Los principales resultados observados fueron: i) las modas de nucleación (entre 14 30 nm), Aitken (entre 30 100 nm), acumulación 1 (entre 100 300) y acumulación 2 (entre 300 1000 nm) presentaron una eficiencia (y un coeficiente) de lavado del 15% (3.9·10-5), 4% (3.1·10 5), 22% (4.8·10 5) y 21% (5.2·10 5 s-1), respectivamente; ii) los eventos con intensidades de lluvia entre 1 y 3 mm h-1 causaron menor lavado en todas las modas; y iii) los tamaños de gota de lluvia entre 1.25 y 3.5 mm lavaron principalmente los tamaños de partículas entre 70 y 250 nm. Se observó un menor lavado en las partículas de tamaño superior a 300 nm, y las partículas mayores de 600 nm sólo fueron lavadas por las gotas de lluvia mayores de 4.75 mm; iv) la fracción respirable antes y después de los eventos de lluvia presentó una disminución significativa del 35%. A partir de los datos de la precipitación registrados cada minuto y del tamaño de las partículas de aerosol atmosférico, se incluye en el Capítulo 5 un estudio sobre el lavado de partículas de aerosol finas y gruesas y sobre su relación con el tamaño de las gotas de lluvia. Como resultado de una campaña de muestreo de 6 meses en León, se calcularon los coeficientes de barrido en 54 eventos de lluvia, con un valor medio de 2.6·10-5±6.0·10-5 s-1 para la moda fina y 5.8·10 5±9.6·10 5 s 1 para la moda gruesa. Asimismo, la concentración de partículas disminuyó durante la lluvia en un 10% y tras la lluvia en un 18%. En el intervalo de Greenfield (tamaños entre 0.3 y 1 µm), el lavado es menos eficaz que en aerosoles de otros tamaños. El número de gotas entre 0.75 y 3 mm muestra correlaciones negativas estadísticamente significativas (p<0.05) con el número de partículas entre 0.16 y 1.76 µm, sugiriendo así el posible papel de esas gotas de lluvia en el lavado de partículas de este tamaño. Además, se encontraron correlaciones negativas significativas entre el volumen total barrido por la caída de gotas (mm3 m 3) y la variación del número de partículas con diámetros de entre 0.12 y 0.19 μm. Con el fin de identificar una de las principales fuentes de partículas ultrafinas, en el Capítulo 6 se incluye un estudio de las partículas de tamaños entre 15 y 736 nm. También se ha caracterizado la evolución de sus concentraciones y los eventos de formación de nuevas partículas (NPF). Las concentraciones de partículas de Aitken (NAit) y de acumulación (Nacc) registraron sus máximos en los meses fríos durante las horas punta, por la mañana (0600-0900 UTC) y por la tarde (1700 2000 UTC), mientras que los máximos para la concentración de partículas de nucleación (Nnuc) se alcanzaron en los meses cálidos durante las horas del mediodía. NAit, Nacc y Ntotal mostraron una correlación negativa significativa con la velocidad del viento y una relación con la altura de la capa límite planetaria (ABL) por períodos. En el periodo cálido se registró una correlación significativa positiva entre ABL y Nnuc, lo que indica que la mayor dispersión con una ABL alta provoca condiciones favorables para la aparición de eventos NPF. Tras una clasificación visual, se identificaron y analizaron 96 eventos NPF, que se produjeron principalmente entre las 1100 y las 1500 UTC, en primavera y verano. Además, se desarrolló un modelo estadístico en dos pasos para identificar los eventos NPF: un análisis cluster seguido de un análisis discriminante. La aplicación del análisis discriminante a uno de los clusters, que agrupaba 93 días, permitió identificar 55 de los 56 días de eventos NPF incluidos en el cluster. Por lo tanto, este método es una herramienta valiosa para identificar tales eventos de forma rápida y eficaz. En el Capítulo 7 se presenta el estudio de la concentración de carbono negro (BC) desde enero de 2016 hasta marzo de 2017, en los alrededores de una ciudad (León) donde el carbón se utiliza habitualmente como combustible en instalaciones domésticas de calefacción. La concentración anual media de BC equivalente (eBC) fue de 0.9±0.9 μg m-3, que puede dividirse a su vez en valores anuales medios de eBCff (eBC procedente de combustibles fósiles líquidos) y eBCbb+cc (eBC procedente de la quema de biomasa más la combustión de carbón) de 0.6±0.7 y 0.3±0.4 μg m 3, respectivamente. El eBC obtenido a partir del etalómetro AE-31 y el carbono elemental (EC) cuantificado mediante un método de Transmitancia Óptica Térmica presentaron una correlación positiva fuerte y significativa (r=0.84; p<0.01). Se estableció un modelo de regresión multilineal para desacoplar el eBCbb del eBCcc (r2=0.85) basado en dos trazadores: arsénico para la combustión de carbón y potasio para la quema de biomasa. La aplicación del modelo permitió determinar las contribuciones al eBCbb+cc durante el periodo frío: 74% de la quema de biomasa y 26% de la combustión de carbón. La mayor concentración de eBCcc se estimó para diciembre de 2016 y enero de 2017 (0.18 μg m 3). Este resultado está en consonancia con el Exponente Ångström de Absorción (AAE), que mostró el valor máximo en enero de 2017 (1.43±0.37) debido a las altas contribuciones de la quema de biomasa y la combustión de carbón. Con el objetivo de caracterizar una de las principales fuentes de carbono negro, el tráfico, en el Capítulo 8 se presenta un trabajo sobre las emisiones de BC procedente del tráfico medidas con un etalómetro en un túnel. Se realizó una campaña de muestreo en el túnel de la Avenida Liberdade (Braga, Portugal) durante una semana (con 56,000 vehículos) para medir la concentración de eBC, mediante un etalómetro AE-31, y de varios contaminantes gaseosos (CO2, CO y NOx). En el interior del túnel, la concentración másica media de eBC fue de 21±10 µg m 3, con un valor máximo horario de 49.0 µg m 3. Se realizó un estudio horario y semanal, distinguiendo entre días laborables y fines de semana. En cuanto al Exponente Ångström de Absorción (AAE), se obtuvo un valor medio de 0.97±0.10, para una fuente de tráfico prácticamente pura. Hubo una correlación positiva significativa entre la concentración de eBC y el número de vehículos ligeros (r2=0.22; p<0.01) y entre la concentración de eBC y las emisiones gaseosas: CO (r2=0.45; p<0.01), CO2 (r2=0.50; p<0.01), NO (r2=0.40; p<0.01) y NO2 (r2= 0.49; p<0.01). Los factores de emisión medios de carbono negro (EFBC) dentro del túnel fueron 0.31±0.08 g (kg combustible) 1 y 0.11±0.08 mg veh 1 km-1, similares a los encontrados en otros estudios para vehículos de gasolina y diésel en túneles de tráfico. Una vez analizada la principal fuente de BC, en el Capítulo 9 se analiza la relación del BC con su principal sumidero, la precipitación acuosa. Para ello se incluye un estudio centrado en el lavado del carbono negro, usando un etalómetro y un disdrómetro, a lo largo de una campaña de muestreo continuo de 15 meses en León (España). Se estudiaron un total de setenta y cinco eventos de lluvia y en el 73% de ellos hubo un barrido efectivo (eBCinicial > eBCfinal), con una disminución media de 48±37% en eventos de lluvia largos (>8 h) y 39±38% en eventos de lluvia cortos. El lavado de BC está fuertemente relacionado con su origen. Por lo tanto, el valor medio del coeficiente de barrido (λ) del BC procedente de la quema de combustibles fósiles (eBCff) para eventos de lluvia cortos y largos fue de 5.1·10 5 y 1.3·10 5 s 1, respectivamente. Sin embargo, para el BC procedente de la quema de biomasa (eBCbb), los valores de λ fueron 1.6·10 4 y 2.8·10 5 s 1 en eventos cortos y largos, respectivamente. Hubo una correlación positiva significativa entre λ y el número de gotas con diámetros entre 0.375 y 2.5 mm. El lavado provocado por la lluvia también se analizó en función del origen de la masa de aire, obteniendo un barrido eficaz en las masas de aire procedentes del Atlántico, Ártico y África. Se construyó un modelo lineal (r2=0.72) para estimar los valores de ΔeBC con variables del etalómetro, del disdrómetro y de una estación meteorológica: la concentración de eBC antes de la lluvia, el volumen barrido y la precipitación acumulada. La prueba estadística de Kolmogorov-Smirnov confirmó la bondad de ajuste del modelo a los datos medidos. El lavado provocado por la lluvia sobre otro tipo de material particulado totalmente diferente, un aerosol de tipo biogénico como es el polen, es el argumento central del Capítulo 10. El análisis se basa en un muestreo realizado en León entre 2015 y 2018. Las variables de precipitación y la concentración de 9 tipos de polen se han obtenido con un disdrómetro y un captador volumétrico de tipo Hirst, respectivamente. Para evaluar el barrido, hemos calculado 3 parámetros: la eficiencia de barrido promedio ponderada por la concentración (%ΔC), el coeficiente de barrido (λ) y el porcentaje de eventos con un lavado efectivo (%ES). El 71% de los eventos de lluvia presentaron un lavado efectivo en la concentración total de polen. El valor medio de %ΔC para la concentración total de polen fue 24±18% (los valores positivos indican un lavado efectivo) y los tipos de polen con los valores más altos fueron Castanea y Cupressaceae (71 y 40%, respectivamente). Se construyó un modelo lineal (r2=0.94) para estimar la concentración de polen después de la lluvia a partir de variables como la concentración de polen antes de la lluvia y otras variables procedentes de una estación meteorológica y un disdrómetro. Además, hemos mostrado la posibilidad de conocer en tiempo real la concentración probable de polen de Cupressaceae, a partir de la concentración inicial de polen y los parámetros físicos de la lluvia, como el tamaño de la gota, la intensidad de la lluvia o el volumen barrido por las gotas en su caída. El estudio del efecto de lavado provocado por la lluvia sobre el forzamiento radiativo, fundamental para la modelización climática, se incluye en el Capítulo 11. Entre febrero de 2016 y marzo de 2017 se calcularon los flujos de forzamiento radiativo utilizando el modelo GAME. Tras la aplicación de un conjunto de criterios de selección, se identificaron 16 eventos de lluvia estratiformes, concentrados en invierno y primavera, y 15 eventos de lluvia convectiva en primavera y verano. Los eventos de lluvia se agruparon según el forzamiento atmosférico (ΔFATM) antes de la lluvia en bajo (inferior a 30 W m 2) o alto (superior a 30 W m 2). Hubo diferencias significativas entre los eventos estratiformes y convectivos en cuanto a la duración de la lluvia, el diámetro medio de las gotas de lluvia y los parámetros a y b de la relación entre la intensidad de la lluvia R y la reflectividad del radar Z =a · Rb. Al comparar los grupos bajo y alto, el diámetro de la gota de lluvia fue similar para los eventos estratiformes (0.51±0.08 vs 0.48±0.12 mm) y convectivos (0.96±0.98 vs 0.83±0.63 mm), registrando valores más altos para estos últimos. Este hecho puede estar relacionado con el efecto semidirecto del aerosol. En los eventos estratiformes, el efecto de barrido de las partículas de aerosol se observa claramente en el grupo alto con una disminución del forzamiento radiativo de -27.0±25.3%, y en menor medida, en el grupo bajo, probablemente causado por la menor carga de aerosol en la atmósfera. En los eventos estratiformes, la moda de la distribución gamma del tamaño de las gotas de lluvia presentó diferencias significativas entre los grupos bajo (0.25±0.13 mm) y alto (0.35±0.05 mm). Esto apunta a una relación entre el forzamiento radiativo antes de la lluvia y las características específicas de las precipitaciones medidas a nivel del suelo.