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Estudio preliminar de la relación entre la radiación solar y la
concentración de ozono troposférico en Santiago de Chile
Carmen Godoy V., Luis Morales S., Manuel Hevia S.
ESTUDIO PRELIMINAR
DE LA RELACIÓN ENTRE
LA RADIACIÓN SOLAR Y
LA CONCENTRACIÓN DE
OZONO TROPOSFÉRICO
EN SANTIAGO DE CHILE
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Carmen Godoy V. Luis Morales S.Manuel Hevia S.
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0560
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
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Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
X Simposio Peruano de Energía Solar
ESTUDIO PRELIMINAR DE LA RELACION ENTRE LA RADIACION SOLAR Y LA
CONCENTRACIÓN DE OZONO TROPOSFERICO EN SANTIAGO DE CHILE
Carmen Godoy V.(1), Luis Morales S.(1,2) Manuel Hevia S.(1) 1Depto. de Física, Universidad Tecnológica Metropolitana; Casilla 9845, Santiago; 2Depto. Cs. Ambientales y
Rec. Nat. Ren., Universidad de Chile; Casilla 1004, Santiago, Chile. [email protected]
RESUMEN
Los efectos de la radiación solar como fuente de reacciones fotoquímicas ha sido objeto de estudio al asociarlo a
la dinámica de producción de ozono en la troposfera baja. El ozono troposférico es un contaminante de tipo
secundario y es producido por reacciones fotoquímicas, de tal forma que sus precursores son los compuestos
orgánicos volátiles (COV) y los óxidos de nitrógeno (NOx), en presencia de altas temperaturas junto a la
radiación solar. Este ozono al encontrarse en la capa de la atmósfera más cercana a la superficie terrestre tiene
efectos nocivos sobre los seres vivos, en concentraciones elevadas, este contaminante puede constituir una
amenaza para la salud humana, la flora y fauna. Por ello el presente trabajo expone, de forma exploratoria, la
relación existente entre la distribución espacial del ozono troposférico y la radiación solar global en superficie en
la Ciudad de Santiago de Chile.
1. INTRODUCCION
En Chile, un caso especial de deterioro de la
calidad del aire es la ciudad de Santiago, debido
fundamentalmente a su localización geográfica y
por ser además zona de alta concentración
poblacional, que se traduce que se vierten a la
atmósfera en forma permanente y creciente una
gran cantidad de contaminantes por diversos
procesos derivados del desarrollo de la industria, la
tecnología y la urbanización acelerada. Entre los
contaminantes presentes en la atmósfera de
Santiago se encuentra el ozono, el que actualmente
constituye un serio problema, debido a que la
ciudad fue catalogada, ya en el año 1996, como
zona saturada por esta sustancia. Las diferentes
mediciones de la concentración de ozono
troposférico en la ciudad de Santiago muestran que
existiría un incremento a través del tiempo de este
contaminante, agudizándose este fenómeno en los
meses estivales. La dinámica temporal de este
contaminante se encuentra ligada a la radiación
solar y a las concentraciones de NOx, VOC y a las
características meteorológicas de poca ventilación,
una capa de mezcla reducida y vientos débiles.
El objetivo del presente trabajo es la realización de
un análisis de la dinámica espacio-temporal de las
concentraciones máximas diarias de ozono y en
forma exploratoria su relación con la radiación
solar, para la ciudad de Santiago de Chile. Este
análisis es realizado a partir de datos puntuales
provenientes de la red de monitoreo, y se basa en la
relación existente entre la distribución espacial de
este contaminante, las variables meteorológicas y
las topográficas de la ciudad. En efecto, se encontró
una relación lineal entre los valores medios de la
concentración máxima de ozono y los parámetros
fisiográficos, como la posición geográfica y la
altitud. Esta relación simple permitió extrapolar las
concentraciones espaciales de ozono a partir del
valor medio de las estaciones de la red,
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obteniéndose valores del coeficiente de
determinación entre 0.77 y 0.94. Los resultados
muestran que este análisis, a pesar de su
simplicidad, entrega valores espacialmente
razonables. Además, se observa que las
concentraciones máximas diarias ocurren en
promedio entre las 13 00 y las 16 00 horas en la
época estival, hora cercana al máximo de radiación
global. Por otra parte las concentraciones máximas
absolutas diarias exceden la norma chilena entre el
30% y el 150 %, ocurriendo este hecho entre el 5%
y el 45 % de los días del año. Estos resultados
muestran una tendencia en la estratificación
espacial del contaminante, donde los sectores altos
de la ciudad son los más perjudicados. Si se une a
este resultado el hecho de que el valor modal y el
absoluto de las concentraciones máximas es alto,
estos sectores podrían tener consecuencias
preocupantes en el largo plazo.
La figura 1 muestra las concentraciones máximas
absolutas de toda la red de monitoreo de calidad del
aire para el año 1999. En esta última se aprecia una
fuerte dependencia espacial de los valores. Este
hecho hace suponer que esta distribución se
encuentra fuertemente ligada al campo de vientos
que se genera durante el día, que son de mayor
intensidad en la época estival. Este campo se
origina en la cuenca, principalmente por un sistema
de brisas locales. Su mecanismo es el calentamiento
de la superficie que produce un movimiento de aire.
Normalmente durante el día, se desarrollan brisas
que soplan por los valles hacia la precordillera,
alcanzando su mayor intensidad por la tarde.
Durante la noche, producto del enfriamiento
superficial, en especial en las laderas de cerros, se
produce una delgada capa de aire de mayor
densidad que se desliza pendiente abajo,
canalizándose hacia los valles (Sandoval H, et al .
(1993)). Por lo general la brisa nocturna es más
débil que el flujo diurno y las direcciones
predominantes son de sentido inverso. Estos flujos
de aire originan un desplazamiento del aire
contaminado hacia el sector nororiente de la ciudad
durante el día.
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Figura 1. - Valores observados de la concentración máxima diaria de ozono para las estaciones de la red de
monitoreo de la calidad del aire MACAM2 de la ciudad de Santiago de Chile durante el año 1999.
La figura 2 muestra la estimación de la distribución
espacial de la radiación global en superficie (MJ /
m2 día) calculada por un modelo de simulación
para un día de invierno, en la cuenca de la ciudad
de Santiago de Chile. Este muestra claramente que
la radiación solar global en superficie es mayor en
los lugares que presentan cierta exposición, que
para el caso de la cuenca de Santiago, esta
corresponde a la exposición norte. En términos
generales la radiación solar estival en la cuenca de
Santiago es del orden de los 25.2 [MJ/m2 día]. Sin
embargo a nivel horario, en la misma época estival,
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los valores medios de radiación global en superficie
alcanzan valores del orden de 700 J/m2 seg, valor
alto si se compara con la constante solar, cuyo valor
es de 1370 J/m2 seg.
Figura 2.- Estimación de la distribución espacial de la radiación global en superficie(MJ / m2 día) por un
modelo de simulación para un día de invierno, en la cuenca de la ciudad de Santiago de Chile.
2. METODO PROPUESTO
La configuración de la superficie determina la
circulación nocturna del aire de forma tal que en
pocas decenas de metros se producen gradientes
térmicos notables. Lo anterior hace suponer que en
topografías accidentadas la microadvección
modifica el valor del campo térmico. La altura de
la capa de inversión, la microadvección, la
inclinación del terreno y la naturaleza de este,
hacen que se configuren patrones térmicos o áreas
que se comportan como un todo uniforme, en que
existe una alta correlación entre la temperatura de
un punto y la de cualquiera de los otros puntos
dentro del área. La estrecha relación entre la
distribución vertical y espacial de las temperaturas
mínimas con la topografía, permite el desarrollo de
modelos basados en algoritmos que relacionan la
temperatura en toda el área, caracterizada por un
patrón térmico, y la temperatura en un punto de
referencia interior al área. De tal forma que la
distribución espacial de este contaminante
atmosférico sigue patrones muy similares a la
topografía (Morales et al, 1996).
Se consideró, desde el punto de vista
meteorológico, que el valor de concentración se
encuentra dado por una combinación de factores,
que se definen por una función C(x,y,h) =
f(latitud, longitud, altura), donde C(x,y,h)
representa las concentraciones de Ozono en latitud
y longitud. En general se propone que la
concentración de ozono es una combinación lineal
de variables que definen su comportamiento
espacial.
En base a los antecedentes aportados durante el
tiempo de funcionamiento de la red de monitoreo
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de la calidad del aire MACAM2 de la ciudad de
Santiago, se ha observado una tendencia a la
estratificación de las concentraciones de ozono con
la altitud. Sin embargo, al parecer posee una
variabilidad espacial característica, asociada a la
rugosidad superficial y la topografía. Este hecho
hace suponer que los valores máximos de ozono se
comportarían de acuerdo al modelo de regresión
lineal múltiple, entre la latitud, longitud y las
variables topográficas en la cuenca de Santiago.
Las variables topográficas pueden ser estimadas a
partir de las curvas de nivel. A partir de ellas es
posible calcular mediante triangulación un modelo
digital de elevación que contiene una matriz con las
alturas. Para contar con el modelo digital de
elevación se digitalizaron las curvas de nivel de la
cartografía oficial del Instituto Geográfico
Militar(IGM) de Chile, e interpolación inversa al
cuadrado de la distancia entre las curvas.
(a)
(b)
Figura 3. - Distribución espacial de la (a) concentración máxima absoluta anual, y (b) concentración
máxima modal de ozono troposférico en la ciudad de Santiago de Chile.
3. RESULTADOS Y DISCUSION
Para estimar los coeficientes se realizó una
regresión lineal múltiple entre las variables
involucradas, encontrándose un modelo anual
determinístico del tipo
hxLonLatOO 4
3
3 1082344.698752.149886.068625.157 −+−−=
cuyo coeficiente de correlación es 0.92. Un análisis
entre los valores calculados y observados de la
concentración máxima diaria de ozono para la red
de estaciones de medición de la calidad del aire
MACAM2 de la ciudad de Santiago de Chile,
muestra altos valores de los coeficientes de
determinación, entre 0.77 y 0.94, a pesar de la
simplicidad del modelo. Sin embargo, para estimar
la distribución espacial de la concentración máxima
de ozono se necesita contar con un modelo digital
de elevación con un detalle, a lo menos de una
escala 1: 250.000. Otro aspecto interesante es
observar que los coeficientes del modelo son
constantes durante el año, lo que podría indicar que
el ozono se produce fundamentalmente por la
actividad antrópica. El modelo fue determinado a
partir de ocho estaciones, debido al tamaño
reducido de la red de monitoreo MACAM2-RM. La
opción más indicada para hacer estimaciones más
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precisas, es contar con un modelo fisicoquímico de
transporte y generación de ozono, ya que a partir de
los datos generados por él, se podrán obtener los
coeficientes en forma más precisa. Para evaluar el
modelo se escribió un programa computacional en
Visual Basic para calcular la distribución espacial
de las concentraciones máximas diarias de ozono en
la ciudad de Santiago. Este programa interactúa con
archivos matriciales binarios en formato de lectura
del sistema de información geográfico IDRISI. A
partir de este programa se estudia la distribución
espacial de los valores medios máximos absolutos
diarios de la concentración de ozono para cada
estación de la red. La base de datos espacial
generada permitió calcular la hora de la
concentración máxima, duración en horas de
excedencia a nivel diario, respecto de la norma
chilena que es de 160 µg/m3 (80 ppb). Además se
calcularon los valores de la máxima media anual,
máxima mínima anual, máxima modal anual,
máxima absoluta anual, hora media anual de la
máxima de Ozono. Con el fin de dimensionar el
comportamiento espacial más probable de este
contaminante. Sin embargo, con la finalidad de
conocer, en forma óptima, la potencialidad de los
resultados obtenidos por este programa, se procedió
a determinar a la cartografía espacial.
En la figura 3a se muestran las concentraciones
máximas absolutas anuales de ozono, y en la 3b, la
máxima modal en la cuenca de Santiago. Se aprecia
la estratificación de las concentraciones de ozono
con la altitud, esto se evidencia al observar que en
las estaciones de la zona oriente (M y L) una clara
diferenciación entre los valores de las
concentraciones registrados en las estaciones
céntricas (B, F y N). Además estas se diferencian
claramente de las ubicadas en la zona occidente de
la ciudad (O, P y Q). La estratificación de
concentraciones observada en la distribución
espacial de Ozono en la cuenca de Santiago, viene a
corroborar la naturaleza fotoquímica de éste. En
efecto, debido a que en las zonas las cuales
experimentan una mayor incidencia de radiación
(Laderas de Montañas) se registra una mayor
concentración de ozono, contrastando notoriamente
con las estaciones ubicadas en el fondo del valle en
las cuales se experimentan niveles inferiores. En las
zonas precordilleranas se originan centros de bajas
presiones, los que generan núcleos de advección de
vientos, que transportan los contaminantes
precursores del ozono provenientes de los centros
urbanos existentes en el valle. Esto ultimo se
sustenta en investigaciones realizadas por la
Universidad de Chile, que explica que en las
estaciones ubicadas en la zona céntrica de la ciudad
se generan mayores concentraciones de NOx,
presentándose condiciones propicias para la
conformación del contaminante (Ihl M, 1998). Las
zonas en las cuales se observa una mayor
concentración de ozono es un sector de uso
múltiple (Habitacional- Oficinas), lo que deja de
manifiesto el potencial daño a la salud de los
individuos residentes en el área. Por otro lado, la
estratificación con la altitud se puede explicar a
partir de tres factores: el régimen de vientos de la
cuenca, las áreas generadoras de precursores de
ozono y la diferenciación temporal como espacial
de la radiación solar. Es sabido que en las zonas
periféricas de la cuenca, la producción de
precursores es baja en relación a la zona del centro,
donde se ubican las fuentes de emisiones primarias,
esto es el parque automotriz e industrial (Prendez,
et al 1992). El régimen de vientos del tipo
anabático, durante el día, genera un flujo hacia la
zona precordillerana, derivado por el efecto de la
insolación diferencial que genera un núcleo de
advección, debido a que la radiación solar incidente
es más significativa que en el fondo de valle.
Debido a lo anterior se genera más ozono en las
zonas altas, pero considerando además, que hay
ozono transportado desde las zonas bajas de la
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ciudad. Durante la noche el flujo de aire se invierte
transportando ozono hacia el centro y sector
poniente de la ciudad, quedando para el otro día
una cierta cantidad de ozono residual.
4. CONCLUSIONES
La distribución espacial de las concentraciones
máximas de ozono tiene un comportamiento
bastante definido, caracterizado principalmente por
el campo de vientos y la altura de cada punto al
interior de la cuenca. Este hecho facilita la
construcción de modelos simples de
espacialización de las concentraciones de ozono.
De hecho el modelo usado, aunque simple,
describe de una manera satisfactoria la distribución
espacial de las concentraciones máximas diarias de
ozono. Al evaluar la utilidad de este modelo,
podemos afirmar que esta es una herramienta útil
para la estimación de la distribución espacial de las
concentraciones máximas de ozono en la ciudad de
Santiago de Chile, sobre todo si se necesitan
aplicar medidas restrictivas por parte de la
autoridad competente. Finalmente, estos resultados
pueden ser utilizados para cuantificar el riesgo
espacial para la salud orientado a la población de
la ciudad, mediante la construcción de cartografía
apropiada. Además, a partir del modelo es posible
determinar una cartografía de riesgo para especies
agrícolas.
Por otra parte se observo que estos valores siguen
patrones muy similares al de la radiación global de
superficie. Además, los valores observados de
concentración máxima de ozono son relativamente
altos si se comparan con la norma. En este sentido,
los efectos de este contaminante es acumulativo,
por lo cual una sobre exposición a esas
concentraciones puede generar múltiples efectos
sobre la salud humana y la vegetación.
5. BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
1. Ihl M. (1998). “El problema del smog de verano
en Santiago: Generación, dispersión y transporte
de ozono”. Rev. Geográfica de Chile Terra
Australis (43), 93-118.
2. Morales S., J. Vignolo y P. Pacheco. (1996).
“Estudio de la contaminación atmosférica de la
ciudad de Santiago utilizando un descriptor
climático”. Actas 11 Encuentro Internacional de
Físicos de la Región Inka .
3. Morales S., J. Vignolo y P. Pacheco (1996).
”Modelos climáticos y contaminación atmosférica:
Estudio en la ciudad de Santiago de Chile. Actas
VII Congreso Latinoamericano e Ibérico de
Meteorología”.
4. Préndez, M. and Ortiz, J. (1989), “Atmospheric
Pollution by Fractionated Particulate Matter of
Santiago, Chile”. Man & his Ecosystem,
Amsterdam.
5. Sandoval H, et al . (1993). Contaminación
Atmosférica de Santiago “Estado actual y
soluciones” , 429 pp.
6. Sarmiento, Pedro.(1995). Energía Solar,
Aplicaciones e Ingeniería. Ediciones Universitarias
de Valparaíso. P. Universidad Católica de
Valparaíso.
X Simposio Peruano de Energía Solar
Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para
la Descontaminación y Desinfección de Agua
Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003
Seminario Internacional
Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo
Cusco, 26 - 27 de abril de 2004
Ministerio de Industria y Turismo
Municipalidad Provincial del Cusco
Ministerio de Energía y Minas
Asociación Peruana de Energía Solar
(APES)
Universidad Nacional San Antonio Abad del
Cusco
Editado por: Manfred Horn
Juan Rodriguez
Patricia Vega
Auspician Salir
Universidad Nacional de Ingeniería