impacto de las variables meteorolÓgicas en la formaciÓn de...
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IMPACTO DE LAS VARIABLES
METEOROLGICAS EN LA FORMACIN DE
OZONO EN LA CUENCA DE SANTIAGO
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL GRADO DE MAGSTER EN METEOROLOGA Y CLIMATOLOGA
ANDREA NELLY RIVERA GARCS
PROFESOR GUA: RAINER SCHMITZ
PROFESOR CO-GUA:
HUMBERTO FUENZALIDA PONCE
MIEMBROS DE LA COMISIN: RICARDO MUOZ MAGNINO MANUEL MERINO THAYER
SANTIAGO, CHILE
2011
UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE GEOFSICA
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INDICE DE CONTENIDOS
1 INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 7
2 HIPTESIS Y OBJETIVOS .............................................................................................................. 8
2.1 Hiptesis ...................................................................................................................................... 8
2.2 Objetivo General .......................................................................................................................... 8
2.3 Objetivos Especficos ................................................................................................................. 8
3 ASPECTOS TERICOS DEL ESTUDIO........................................................................................... 9
4 METODOLOGA ............................................................................................................................. 13
4.1 Informacin utilizada ................................................................................................................. 13
4.2 Detalle de la metodologa .......................................................................................................... 15 4.2.1 Anlisis de ozono respecto a las variables meteorolgicas con distintas tcnicas estadsticas ...16 4.2.2 Modelo de caja qumico para el anlisis de las relaciones existentes entre ozono y las variables meteorolgicas .................................................................................................................... 18 4.2.3 Anlisis del ciclo semanal de ozono y su comportamiento respecto a los precursores y a las variables meteorolgicas .................................................................................................................... 20 4.2.4 Identificacin de patrones sinpticos relacionados al comportamiento del ozono troposfrico. ...21
5 RESULTADOS Y DISCUSIN ........................................................................................................ 22
5.1 Anlisis de ozono respecto a las variables meteorolgicas con distintas tcnicas estadsticas .......................................................................................................................................... 22
5.1.1 Anlisis de regresin lineal simple y validez de los resultados ............................................... 22 5.1.2 Anlisis de componentes principales .................................................................................... 31 5.1.3 Anlisis de regresin lineal mltiple y validez de los resultados ............................................. 33
5.2 Modelo qumico de caja para el anlisis de las relaciones existentes entre ozono y las variables meteorolgicas .................................................................................................................... 36
5.3 Anlisis de la evolucin del ciclo semanal de ozono y su comportamiento respecto a sus precursores y variables meteorolgicas ............................................................................................ 39
5.4 Identificacin de patrones sinpticos relacionados al comportamiento de ozono troposfrico .......................................................................................................................................... 47
6 CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 57
7 BIBLIOGRAFA .............................................................................................................................. 61
8 ANEXOS ........................................................................................................................................ 63
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8.1 Especificacin del clculo de la humedad especfica para las estaciones de la red MACAM-II 63
8.2 Informacin complementaria de los anlisis de ozono respecto a variables meteorolgicas, con diversas tcnicas estadsticas ..................................................................................................... 64
8.2.1 Resultados complementarios de regresin lineal simple ....................................................... 64 8.2.2 Validez de la regresin lineal simple ..................................................................................... 74 8.2.3 Resultados complementarios de la regresin lineal mltiple .................................................. 86 8.2.4 Validez de la regresin lineal mltiple ................................................................................... 86
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AGRADECIMIENTOS Los agradecimientos de este trabajo son para el Centro Nacional del Medio Ambiente,
Departamento de Geofsica de la Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas de la Universidad
de Chile y para mis seres queridos.
Agradezco al Centro Nacional del Medio Ambiente por darme la oportunidad de realizar este
Magster, y especialmente a Manuel Merino T. por elegirme y darme el empuje necesario para
cursarlo y finalizarlo. Adems, agradezco el apoyo valioso y desinteresado de Eugenio Campos
L., Gerardo Alvarado Z. y Augusto Llano E.
Agradezco a los docentes del Departamento de Geofsica de la Facultad de Ciencias Fsicas y
Matemticas de la Universidad de Chile por aceptarme para cursar este Magster, por su
dedicacin y constante ayuda. Tambin agradezco a Ricardo Muoz M. y al grupo de docentes
que decidieron darme la oportunidad de seguir adelante y poder finalizar este Magster.
Asimismo, un agradecimiento especial es para mi profesor gua Rainer Schmitz y profesor co-
gua Humberto Fuenzalida por su dedicacin, valiosas y constantes crticas, tolerancia e
incomparable paciencia en todas las etapas de este trabajo.
Este trabajo representa una etapa importante de mi vida, y como tal dedico y agradezco este
estudio a Dios y a mis seres favoritos en el mundo entero, mi madre, mi padre, mi hermano, mi
hermana y familia, mi primo, a todos mis amigos, considerando especialmente el aporte y apoyo
de Isabel Ramos (GCV) y Leonor Esquivel (Leontina). Sin ellos no hubiese sido posible concluir
esta extensa e importante tarea.
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RESUMEN
Esta investigacin tiene como finalidad establecer el grado de importancia de las variables
meteorolgicas respecto al contenido de ozono troposfrico en la cuenca de Santiago,
considerando el periodo estival de los aos 1998 al 2006, en el marco de su formacin qumica.
Las variables meteorolgicas que participan en las reacciones qumicas de la formacin de
ozono y que son utilizadas en este estudio corresponden a la radiacin solar, temperatura y
vapor de agua, y, adicionalmente, se incorpora la variable viento, por la importancia que se le
atribuye en la generacin de este contaminante secundario.
El estudio contempl un anlisis del ozono respecto a las variables meteorolgicas por medio
de tres tcnicas estadsticas: mtodo de regresin lineal simple, regresin lineal mltiple y
componentes principales. De igual manera, se busc la relacin de ozono con las variables
meteorolgicas por medio de modelacin qumica. Por otra parte, se estudio el comportamiento
del ciclo semanal de ozono, y su relacin respecto al ciclo semanal de sus precursores y de las
variables meteorolgicas utilizadas en esta investigacin. Finalmente, se realiz un anlisis del
comportamiento atmosfrico de escala sinptica en das de altas y bajas concentraciones de
ozono.
Utilizando las diversas tcnicas estadsticas se estableci que la variacin diaria de ozono est
correlacionada principalmente con la temperatura del aire, en un segundo orden con la
humedad relativa, y, en menor grado, con la radiacin solar y con la velocidad del viento. En
cuanto al anlisis utilizando modelacin qumica, se estableci que la relacin existente entre el
ozono y las variables meteorolgicas no se explican en forma adecuada en esta modelacin. En
cuanto al ciclo semanal de ozono, se determin que en este tipo de anlisis las variaciones de
los precursores resultan primordiales, quedando las variables meteorolgicas en un plano
secundario. Es decir, las variaciones semanales de ozono se relacionan principalmente con el
cambio de sus precursores durante los das de la semana. Adicionalmente, se determin que
los patrones sinpticos asociados a los das con altas concentraciones de ozono estn
caracterizados por pre-dorsales en la tropsfera media en las cuales predominan movimientos
de descenso del aire, cielos despejados y altos valores de temperatura y radiacin solar
incidente. En das con bajas concentraciones de ozono, por otra parte, se observan vaguadas o
ncleos fros en la tropsfera media, con predominio de movimientos de ascenso del aire y
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formacin de abundante nubosidad, lo que implica escasa radiacin solar incidente,
determinando una inhibicin de los procesos fotoqumicos de generacin de ozono.
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1 Introduccin
Durante la poca estival, la ciudad de Santiago presenta serios problemas de contaminacin
atmosfrica por ozono, motivo por el cual fue declarada zona saturada por ozono troposfrico
(DS 131 SEGPRES, ao 1996). Los altos niveles alcanzados por este contaminante en verano
se dan esencialmente por factores meteorolgicos, principalmente la radiacin solar, y por la
disponibilidad de los precursores de ozono, los cuales dependen de la actividad antropognica
asociada a una alta concentracin poblacional 1.
Se han desarrollado diversos estudios relacionados con el incremento de la contaminacin por
ozono troposfrico, los cuales en su mayora apuntan a la elaboracin y validacin de
herramientas de pronsticos para la gestin ambiental. Uno de estos estudios es presentado
por Thompson et. al. (2000), el cual realiza una recopilacin de varias publicaciones sobre
ozono troposfrico orientadas principalmente a la generacin de herramientas de pronstico y
anlisis de la relacin de las variables meteorolgicas con el ozono (el rea de estudio es
principalmente Estados Unidos). El autor presenta una discusin acerca de las variables
meteorolgicas que mejor caracterizan la dependencia que tiene el ozono con la meteorologa,
siendo las ms utilizadas la temperatura y el viento, corroborado con respecto a la temperatura
por otros autores como Wolf & Lioy, (1978), y Clark & Kart, (1982). Otros tipos de estudios que
investigan la meteorologa en relacin al ozono troposfrico corresponden a anlisis de
tendencias climatolgicas para los Estados Unidos, de Fiore et. al., (1998); escalas
climatolgicas y sinpticas de Milanchus et. al., (1998); modelacin de ozono y NOx en Atenas,
Melas et. al. (2000); determinacin de patrones meteorolgicos, Eder et. al., (1994); anlisis de
conglomerados para el rea metropolitana de Sao Paulo, Guardani et al. (2003), entre otros.
Para Santiago, algunas investigaciones efectuadas sobre ozono corresponden a campaas de
mediciones fotoqumicas realizadas por Rappengluck et. al., (2000 y 2005); modelacin de
ozono elaborada por Jorquera et al., (2000), Jorquera et. al., (2002), y Jorquera y Rappengluck,
(2004), y el comportamiento y distribucin espacial del ozono de Ihl, (1998) y Gramsch et al.,
(2006). Si bien estas publicaciones incorporan el anlisis de variables meteorolgicas en
relacin al ozono, no estn enfocadas a buscar la relacin del ozono con las variables
meteorolgicas que participan en su formacin qumica, las cuales corresponden a la radiacin,
temperatura y vapor de agua. Por ello, este estudio tiene como propsito investigar el impacto
que tienen estas tres variables en el comportamiento de ozono troposfrico. Adems, se
1 Segn CENSO 2000, la Regin Metropolitana concentra el 40.1% de la poblacin total del pas. (www.ine.cl)
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analizar el viento por la importancia que se le atribuye en la generacin de ozono troposfrico
sobre la base de la bibliografa revisada (Thompson et. al., 2000).
2 Hiptesis y Objetivos
2.1 Hiptesis
Considerando las variables meteorolgicas que participan directamente en las reacciones
qumicas de formacin de ozono, radiacin solar, temperatura, vapor de agua, y paralelamente
el viento, la hiptesis de este trabajo ser:
La formacin de ozono troposfrico en la cuenca de Santiago est determinada por la
influencia de variables meteorolgicas, por lo tanto, estas variables actan sobre los niveles de
concentracin de ozono superficial.
2.2 Objetivo General
Estudiar las variables meteorolgicas que participan en las reacciones qumicas de la
generacin de ozono, y determinar a travs de anlisis estadsticos la relacin existente entre
las concentraciones de ozono troposfrico y estas variables.
2.3 Objetivos Especficos
Analizar el comportamiento de ozono con las variables meteorolgicas, utilizando
diversas tcnicas estadsticas.
Estudiar y comparar las relaciones existentes entre el ozono troposfrico con las
variables meteorolgicas, utilizando las salidas de un modelo de caja qumico.
Analizar la evolucin del ciclo semanal de ozono, su comportamiento respecto a sus
precursores, y las variables meteorolgicas en estudio.
Identificar los patrones sinpticos que determinan el aumento de contaminacin por
ozono troposfrico.
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3 Aspectos tericos del estudio
Ozono y las reacciones qumicas que participan en su formacin
Esta seccin revisa las caractersticas de los precursores para la formacin de ozono
troposfrico, adems de las principales reacciones qumicas que participan en este proceso,
enfatizando la participacin de las variables meteorolgicas en este conjunto de reacciones.
El ozono troposfrico es un contaminante secundario, generado en la atmsfera a travs de
reacciones qumicas que incluyen principalmente xidos de nitrgeno y compuestos orgnicos
voltiles, y que adems, necesitan una fuente de energa externa para producir las reacciones,
la cual proviene de la radiacin solar (Seinfeld JH. y Pandis S., 1998).
Los xidos de nitrgeno (NOx = NO {monxido de nitrgeno} + NO2 {dixido de nitrgeno}) son
producidos principalmente por la quema de combustibles fsiles como el gas natural, gasolina,
carbn y biomasa. Segn el inventario de emisiones de la R.M. base 2005 (DICTUC, 2007), la
contribucin a la emisin de xidos de nitrgeno por actividades sectoriales en la cuenca de
Santiago se conforma por diversas fuentes, siendo la principal el transporte con 71%, seguido
por la industria con 24%, y el 5% restante por contribuciones residenciales, quemas agrcolas y
otros.
Los compuestos orgnicos voltiles (COVs) se generan principalmente a travs de la
evaporacin de combustibles lquidos, solventes, ciertos productos qumicos orgnicos
(esmalte, pintura, limpiadores, etc.) y por la combustin incompleta de la gasolina. A pesar de
que la ciudad de Santiago enfrenta con frecuencia episodios de altas concentraciones de
ozono, existen escasas mediciones de COVs en su atmsfera.
A continuacin se presentan las reacciones qumicas de formacin de ozono y la influencia de
las variables meteorolgicas que participan en este proceso (Seinfeld JH. y Pandis S., 1998). La
radiacin solar provee la energa bsica e inicial en el desencadenamiento del conjunto de
reacciones que conllevan a la generacin de ozono, mediante la fotlisis de molculas. En la
atmsfera, la formacin de ozono se inicia a travs de la fotlisis de NO2 (con longitudes de
onda menores a 424nm), la cual produce un tomo de oxgeno en su estado fundamental O(3P),
el cual reacciona con O2 formando O3 (ozono).
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j(1) 2 NO2 + hv NO + O(
3P) ( < 424 nm) k(2) 3 O(3P) + O2 + M O3 + M
(1)
(2)
En la reaccin (2) M puede ser N2, O2, u otra tercera molcula que tiene la misin de estabilizar
el O3. Una vez formado O3, ste reacciona con NO, regenerando NO2.
k(3) NO + O3 NO2 + O2
(3)
El anlisis cintico considerando las tres reacciones anteriores con O2 constante, determina
que el rango de variacin de las concentraciones de NO2 est regido por:
d[NO2]/dt = - j (1) [NO2] + k(3) [O3] [ NO]
La aproximacin del estado seudo estacionario de NO2 (d[NO2]/dt = 0), asume que el rango de
destruccin es exactamente igual al rango de produccin, es decir, el NO2 es destruido y
formado tan rpido que el ciclo de estado se mantiene constante. A travs de este equilibrio de
NO2, resulta el estado seudo estacionario de las concentraciones de O3 como sigue:
[O3] = j (1) [NO2]/ k(3) [NO]
En la ecuacin anterior se puede apreciar que la concentracin de O3 depende de la razn
entre [NO2] y [NO]. Las reacciones (1) a (3) son consideradas como parte de un equilibrio, sin
consumo ni produccin neta de las sustancias involucradas en este grupo de reacciones. En el
caso del O3, ste es producido en la fotlisis de NO2 a NO (reaccin 1), y es consumido
durante la oxidacin de NO a NO2 (reaccin 3). Por otra parte, se entiende que sin NO2 no hay
medios para producir oxigeno atmico, y por ende O3. Los NOx son emitidos en la atmsfera en
forma de NO y no de NO2, con ello, si gobernaran solo las reacciones (1) a (3), las
concentraciones de O3 alcanzadas seran mucho ms bajas que los niveles observados. Por lo 2 En estas reacciones j es la constante de fotlisis que depende de la intensidad de la radiacin. 3 En estas reacciones k es la velocidad de la reaccin qumica dada por la ecuacin de Arrhenius y la sigla (2) corresponde al nmero de reaccin.
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tanto, hay otras reacciones que contribuyen al incremento de ozono en la atmsfera, y estn
vinculadas con la participacin de los compuestos orgnicos voltiles (COV) que corresponden
al otro tipo de precursores para generar ozono.
Dentro de las reacciones que involucran los COVs, existe un elemento fundamental para que
estas ocurran, y tiene que ver con los radicales. Los radicales representan sustancias cuyas
molculas tienen un electrn libre, lo cual los hace altamente reactivos. El radical ms
importante de la atmsfera es el radical hidroxilo (OH), y su formacin tiene dependencia de dos
variables meteorolgicas, radiacin solar para la fotlisis de O3 que genera oxgeno atmico
altamente reactivo (reaccin 4), el que luego reacciona con el vapor de agua para formar el
radical hidroxilo (OH) (reaccin 5).
O3 + hv O(1D) + O2 ( < 320 nm)
O(1D) + H2O 2 OH
(4)
(5)
La importancia del OH radica en su capacidad de reaccionar con la mayora de las sustancias
trazas en la atmsfera. En la formacin de ozono, su capacidad de reaccionar con los COVs es
clave. El sistema de reacciones (6) a (10), muestra como a partir de la oxidacin de los COVs
(RH) a travs del radical OH (reaccin 6), se induce a la produccin neta de O3 por medio de la
conversin de dos molculas de NO a dos molculas de NO2, disponibles para participar en la
reaccin (1). En parte por el hecho que el NO producido en la reaccin (1) al reaccionar con
HO2 como lo muestra la reaccin (10), no destruye el O3 (reaccin 2) durante la generacin de
NO2.
OH + RH H2O + R R + O2 + M RO2 + M RO2 + NO RO + NO2
RO + O2 RCHO + HO2
HO2 + NO OH + NO2
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Res.: RH + 2 NO +2O2 RCHO + H2O + 2NO2
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Donde: RH representa a los COVs (nomenclatura qumica); R radical alquilo; RO2 radical
alquiloperoxido; RO radical alcoxi; RCHO aldehdo; HO2 radical hidroperoxido.
La reaccin terminal de este sistema de reacciones est dada, principalmente, por la reaccin
del OH con NO2 formando cido ntrico (HNO3) (reaccin 11), quitndole tanto un nitrgeno
oxigenado como un radical al sistema. El cido ntrico no slo tiene la facultad de dar trmino al
ciclo reactivo de formacin de ozono, sino adems, representa un reservorio de NOx en la
atmsfera, regenerando OH y NO2 a travs de fotlisis; en consecuencia, una vez emitido, el
NOx puede tener un efecto tanto local (a travs de las reacciones anteriormente expuestas)
como regional, a travs del transporte del cido ntrico. El cido ntrico tiene gran solubilidad en
agua, por lo cual es removido del medio a travs de deposicin hmeda en forma muy efectiva.
OH + NO2 + M HNO3 + M
(11)
Adems del cido ntrico, existen otras especies que cumplen la funcin de reservorio de NOx
como es el peroxyacetyl nitrato (PAN)4. Las reacciones que involucran PAN, en su primera
componente se muestran a continuacin:
CH3CHO + OH CH3CO + H2O
CH3CO + O2 CH3C(O)O2
CH3C(O) O2 + NO2 + M CH3C(O)O2NO2 + M
(12)
(13)
(14)
Otra variable meteorolgica importante en la produccin de ozono es la temperatura, que
participa directamente en los procesos fsicos de cada una de las reacciones bi- o trimolecular
que generan el ozono (no las que involucran fotlisis), determinando la frecuencia e intensidad
de las colisiones entre molculas, es decir, explica el aspecto cintico que ocurre en las
reacciones. La dependencia de la temperatura en cada reaccin qumica es expresada por la
relacin de Arrhenius (Levine, 2004), que se utiliza para determinar la dependencia de la
velocidad (o cintica) de una reaccin con la temperatura a la que se lleva a cabo esa reaccin.
La expresin de la relacin de Arrhenius se presenta como sigue.
4 peroxyacetyl nitrato o PAN corresponde al compuesto qumico CH3C(O)OONO2.
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*)( A=Tk e TREa
Donde: k(T) es la velocidad de la reaccin o constante cintica (dependiente de la temperatura);
A es denominada factor de frecuencia (1/s); Ea es la energa de activacin de la reaccin
(J/mol); R es la constante universal de los gases (J/mol*K); T es la temperatura absoluta (K).
Al quedar planteadas las reacciones qumicas que dan paso a la formacin de ozono, y la
participacin de sus precursores y variables meteorolgicas, en el siguiente punto se discutir
sobre la metodologa utilizada para desarrollar esta investigacin.
4 Metodologa
4.1 Informacin utilizada
La informacin que se recopil en este estudio corresponde a estaciones distribuidas dentro de
la Regin Metropolitana, proveniente de la red de monitoreo de calidad de aire y meteorologa
MACAM-II administrada por la Autoridad Sanitaria Regin Metropolitana (ASRM), y la red
meteorolgica operada por el Centro Nacional del Medioambiente (CENMA). La siguiente
ilustracin muestra la distribucin de dichas estaciones.
Ilustracin 4-1 Distribucin de las estaciones de la red MACAM-II (color negro) y las estaciones pertenecientes a CENMA (color rojo). (Fuente:CENMA, 2002).
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Las variables utilizadas en este estudio se muestran en la Tabla 4-1, adems del periodo
disponible de cada una de estas. Estos datos consideran un valor por da y corresponde al
mximo horario, excepto para la humedad en que se utiliza el valor horario mnimo de un da, y
rapidez del viento que considera el valor horario tanto mximo como mnimo en 24 horas.
Variables Estaciones Periodo
ozono troposfrico (ppb)
La Paz, La Florida, Las Condes, Parque
OHiggins, Pudahuel, Cerrillos, El Bosque
y Providencia.
Meses: diciembre, enero y
febrero.
Aos: 1998 al 2006.
En Providencia, aos 1999
hasta el 2003.
Hidrocarburos no metnicos o
COVs (ppb),
xidos de nitrgeno (NOx)
(ppb)
Las Condes, Pudahuel y Cerrillos.
Meses: diciembre, enero y
febrero.
Aos: 2003 al 2006.
temperatura (C), humedad
relativa (%), direccin del
viento (), magnitud del viento
(m/s)
La Paz, La Florida, Las Condes, Parque
OHiggins, Pudahuel, Cerrillos y El
Bosque.
Meses: diciembre, enero y
febrero.
Aos: 1998 al 2006.
radiacin solar global (W/m2)
La Platina (652 metros s.n.m) y Lo Prado
(1065 metros s.n.m).
Meses: diciembre, enero y
febrero.
Aos: 1998 al 2006.
Humedad especifica (gr/kg)
Calculado con los datos disponible
(estacin de Lo Prado y red MACAM-II).
(Anexo 8.1)
Meses: diciembre, enero y
febrero.
Aos: 1998 al 2006.
Tabla 4-1 Variables de calidad de aire y meteorolgicas utilizadas en el estudio. Las mediciones de hidrocarburos no metnicos (HNMC) representan a los compuestos orgnicos voltiles (COVs), en
adelante se referir a ello como COVs. La radiacin solar corresponde a la red CENMA, el resto de la informacin proviene de la red MACAM II de la ASRM.
La Tabla 4-2 muestra el porcentaje de la informacin utilizada para cada variable en cada
estacin, considerando un total de 722 das durante el perodo diciembre a febrero de los aos
1998 a 2006.
Estaciones
Porcentaje de informacin disponible (%)
Ozono Mx.
NOx Mx.
HCNM Mx.
Temp. Mx.
HR Mn.
q
Mn.
Veloc. Viento Mn. y Mx.
Rad. Solar Mx
Viento meridional
v
Viento zonal u
La Paz 100 - - 88 88 86 100 - 100 100 La Florida 100 - - 88 88 86 100 - 100 100 Las Condes 100 24 35 100 100 98 100 - 100 100 Parque O. 100 - - 100 100 98 100 - 100 100
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Estaciones
Porcentaje de informacin disponible (%)
Ozono Mx.
NOx Mx.
HCNM Mx.
Temp. Mx.
HR Mn.
q
Mn.
Veloc. Viento Mn. y Mx.
Rad. Solar Mx
Viento meridional
v
Viento zonal u
Pudahuel 100 33 31 100 100 98 88 - 88 88 Cerrillos 100 15 36 100 100 98 100 - 100 100 El Bosque 100 - - 100 100 98 100 - 100 100 La Platina - - - - - - - 87 - - Lo Prado - - - - - - - 100 - -
Tabla 4-2 Porcentaje de datos diarios existentes en el perodo enero a diciembre 1998-2006 de las
variables usadas en el estudio.
Informacin sinptica utilizada
Para el periodo de estudio, se recopilaron cartas de reanlisis de valores medios diarios de
altura geopotencial de 500hPa y de presin atmosfrica reducida al nivel del mar, extradas de
la base de datos NCEP/NCAR 5.
Adems, se recopil informacin complementaria, de los radiosondeos de Quintero y Santo
Domingo de las 9 de la maana (12Z) para el perodo de estudio definido, de la base de datos
de la universidad de Wyoming6, Estados Unidos.
4.2 Detalle de la metodologa
La metodologa utilizada en este estudio consider lo siguiente:
Recopilacin y validacin de informacin utilizada.
Anlisis del comportamiento de ozono y de las variables meteorolgicas que participan
en su formacin qumica, usando las tcnicas estadsticas que se detallan a
continuacin:
- Regresin lineal simple y validez de los resultados.
- Componentes principales.
- Regresin lineal mltiple y validez de los resultados.
Anlisis de las relaciones existentes de ozono con las variables meteorolgicas
empleando las salidas de un modelo qumico de caja. Posteriormente, estos resultados
son comparados con los obtenidos mediante regresin lineal simple.
Anlisis del ciclo semanal de ozono, y su comportamiento respecto a sus precursores y
a las variables meteorolgicas.
5 www.cdc.noaa.gov 6 weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html
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Identificacin de las configuraciones sinpticas en das de alta y baja contaminacin por
ozono.
Las tcnicas estadsticas utilizadas tienen como propsito analizar la informacin de ozono y
variables meteorolgicas que participan en su formacin qumica dentro de la cuenca de
Santiago, centrndose en determinar el orden de importancia que tienen estas variables en el
comportamiento de este contaminante secundario. A continuacin se explican las distintas
tcnicas estadsticas utilizadas en este trabajo.
4.2.1 Anlisis de ozono respecto a las variables meteorolgicas con distintas tcnicas
estadsticas
4.2.1.1 Regresin lineal simple y validez de los resultados
La tcnica de regresin lineal simple es uno de los procedimientos ms utilizados para
determinar la relacin entre variables, y corresponde a un mtodo estadstico para la
formulacin matemtica de modelos, capaces de explicar el comportamiento de una variable
(dependiente) a travs de otra variable (independiente) (Wilks, 1995). Adems, usando esta
tcnica se puede identificar 3 elementos en la relacin de las variables: la existencia de
correspondencia entre las variables cuando se aprecia un ajuste lineal; dispersin en torno a la
recta ajustada indicado qu tan bueno es el ajuste a travs del coeficiente de correlacin, y el
grado de asociacin entre variables (razn de cambio de una respecto a la otra) por medio de la
pendiente.
La tcnica de regresin lineal simple fue aplicada para el ozono respecto a cada una de las
variables meteorolgicas especificadas en la seccin 5.1.1, correspondiente a radiacin solar,
temperatura, vapor de agua (humedad relativa y humedad especfica) y viento (componentes
u, v y velocidad). El mtodo de regresin lineal simple se realiz en forma independiente
para siete de las estaciones de la red MACAM-II.
Para analizar la validez estadstica de los resultados del mtodo de regresin lineal simple, se
verific el cumplimiento de tres requisitos:
1) Distribucin normal: Que los residuos del modelo de regresin lineal tengan una distribucin
normal. Para ello se us la prueba de Kolmogorov-Smirnov (K-S), que determina la mxima
diferencia encontrada entre la distribucin terica normal y la distribucin proporcionada de los
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datos de la muestra. La hiptesis nula plantea que los datos provienen de una distribucin
normal.
2) Homocedasticidad: Que los residuos presenten una varianza constante. Para probar esto, se
realizaron grficas entre los residuos normalizados y los valores pronosticados, evaluando que
la distribucin de los residuos sea visualmente constante.
3) Autocorrelacin: La serie de residuos deben ser independientes (sin autocorrelacin). Se us
la prueba de Durbin Watson que evala la independencia de los residuos (Spiegel, 1970). Por
otro parte, tambin se evalu la validez de las salidas de los ajustes.
El detalle de estas y otras pruebas utilizadas para validar estadsticamente los resultados se
muestran en el anexo 8.2.2 a).
4.2.1.2 Componentes principales
La metodologa de anlisis de componentes principales es la representacin de un conjunto de
variables en un espacio de varias dimensiones, que permite encontrar relaciones que
permanecen ocultas en dimensiones superiores, y se utiliza para sintetizar informacin que nos
permita estudiar comportamientos comunes de un amplio grupo de variables, con una prdida
mnima de informacin relevante (Wilks, 1995). Esto tiene sentido si existen altas correlaciones
entre las variables, ya que es indicativo que existe informacin redundante, y que es posible
usar un menor nmero de variables para explicar gran parte de la varianza total.
La metodologa de componentes principales se us para establecer las relaciones existentes
entre las variables de inters, identificando aquellas que por si solas sean capaces de
representar la variabilidad del ozono superficial. La aplicacin de componentes principales fue
realizada en forma independiente para las estaciones de la red MACAM-II, usando los datos de
ozono, temperatura, humedad relativa, velocidad del viento, e incorporando la radiacin solar de
la Platina y Lo Prado. Para ello se procedi de la siguiente forma:
- Normalizacin de la base de datos, para permitir comparar variables medidas en
diferentes unidades.
- Obtencin de matriz de coeficiente de correlacin de la base de datos.
- Extraccin de los factores mediante el anlisis de la matriz de coeficiente de correlacin.
4.2.1.3 Regresin lineal mltiple y validez de los resultados
El mtodo de regresin lineal mltiple es similar al de regresin lineal simple, pero la variable
independiente corresponde a un grupo de variables, es decir, se predice una variable
dependiente (ozono), como una funcin lineal de una familia de variables (parmetros
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18
meteorolgicos) que puedan explicar el fenmeno de inters (Wilks, 1995). Este ajuste va
mejorando a medida que se integran ms variables que ayuden a modelar el proceso fsico
completo, que en este caso corresponde a la influencia de la meteorologa en la formacin de
ozono superficial.
Las ecuaciones ajustadas son del tipo:
Yss = B0 + B1*X1 + B2*X2 + B3*X3 +
Donde Yss es el valor estimado de la variable a predecir para la estacin de monitoreo ss. B0,
B1, B2, son las constantes estimadas en la regresin para X1, X2, X3, variables explicativas o
predictoras seleccionadas en el mtodo de regresin.
Para identificar las variables meteorolgicas que influyen ms significativamente en la formacin
de ozono en la cuenca, se realizaron ajustes de ecuaciones de regresin lineal mltiple para
cada estacin de la red MACAM-II, tomando como variable dependiente el ozono, y variables
independientes la temperatura, humedad relativa, radiacin solar y mxima velocidad del viento.
Este ajuste se efectu usando el mtodo stepwise que prueba las variables paso a paso
dejando aquellas de relevancia creciente dentro de la ecuacin ajustada.
La validez estadstica de los resultados del mtodo de regresin mltiple es similar al de
regresin lineal simple. Adems, se incluy el aspecto de colinealidad de las variables
independientes (ver detalle de las pruebas de validez en el anexo 8.2.2 a y 8.2.4 a).
4.2.2 Modelo de caja qumico para el anlisis de las relaciones existentes entre ozono y
las variables meteorolgicas
El modelo de caja qumico se usa con el objetivo de analizar en un medio puramente qumico,
aislado de otros procesos fsicos, la dependencia de las variables meteorolgicas en la
formacin de ozono. Tambin se puede inferir en qu medida las concentraciones de ozono
observadas son atribuibles a los procesos qumicos, y en qu medida, se debe a influencias
externas a las reacciones netamente qumicas.
En el modelo de caja qumico, la formacin de ozono depende bsicamente de las propiedades
iniciales, como son las concentraciones de partida de ciertos elementos qumicos y factores
meteorolgicos. Con las condiciones iniciales del modelo, influenciadas por la accin de la
radiacin en un perodo de tiempo determinado, comienzan a actuar las reacciones qumicas
involucradas en la formacin de ozono. De esta manera y considerando que en esta etapa se
espera ver como se comporta la formacin de ozono en funcin de las variables
-
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meteorolgicas, se prueba el modelo qumico modificando una de las variables meteorolgicas,
manteniendo las otras condiciones constantes.
Para la modelacin realizada en esta investigacin, se utiliz la segunda generacin del modelo
de mecanismos qumicos regionales de deposicin cida RADM2 (R. Stockwell et. al., 1990).
Este modelo tiene la caracterstica de reproducir los procesos qumicos en la fase gaseosa en
forma simplificada, pero con la capacidad de describir las transformaciones qumicas de la
atmsfera. Los elementos involucrados en el mecanismo RAMD2 son: 3 especies estables
abundantes (oxigeno, nitrgeno y agua); especies inorgnicas que contienen 14 especies
estables y 4 reactivos intermedios; especies orgnicas representadas por 26 especies estables
y 16 radicales peroxilos.
En los procesos qumicos, la qumica inorgnica se conoce bien y es representada a travs de
mecanismos generalizados de reacciones qumicas de la atmsfera inorgnica-NOx. Sin
embargo, la principal complejidad est en la qumica orgnica, que integra centenares de
especies y miles de reacciones qumicas debido a la gran cantidad de compuestos orgnicos
voltiles (COVs) emitidos a la atmsfera. La tcnica que se utiliza para dar cuenta de la qumica
orgnica, consiste en agrupar la mayora de los COVs emitidos, en las denominadas especies
sustitutas o familia de COV. La agrupacin de COVs dentro de las especies sustitutas, est
determinada por un conjunto de COVs que presenten una reactividad similar en dependencia de
su oxidacin con OH y peso molecular.
Para el caso particular de la intervencin de la temperatura en las reacciones de generacin de
ozono, segn la cintica qumica, son principalmente las reacciones de segundo orden las que
dependen de la temperatura (ver captulo 3). Para la formacin de ozono la reaccin ms
importante es la oxidacin de los compuestos orgnicos voltiles (COVs) por el radical hidroxilo
(ver captulo 3, reaccin N 6 a la 10). Con respecto a esta reaccin de oxidacin, se puede
asociar a cada COV una energa de activacin, E particular, la cual caracteriza la dependencia
con la temperatura de esta reaccin (Relacin de Arrhenius, captulo 3). Los mecanismos
qumicos utilizados dentro de los modelos numricos, en general, no tratan todos los COVs
explcitamente, sino los agrupan en familias, o compuestos qumicos. Cada uno de estos
compuestos, en el caso del modelo utilizado en este trabajo, agrupa a aquellos COVs, que
tienen una reactividad comn respecto a su oxidacin por el OH. En consecuencia, en vez de
usar un E para cada COV, los mecanismos qumicos le asignan un E caracterstico a aquellos
compuestos agrupados por reactividad comn segn su oxidacin por OH, y un E especfico
para aquellos compuestos que son explcitamente tratados dentro del modelo qumico de caja.
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En este estudio se realizaron dos tipos de experimentos: i) la dependencia de la formacin de
ozono con la temperatura de cada familia de COV, y ii) la dependencia de la formacin de
ozono con la temperatura de una mezcla, la cual representa el promedio medido por
Rappengluck (2005) en tres puntos de Santiago. El primer experimento representa un estudio
de sensibilidad por compuesto, mientras el segundo entrega informacin sobre la relacin de la
formacin de ozono y la temperatura con una mezcla qumica tpica para la cuenca de Santiago.
Adems, para determinar si estos dos experimentos realizados a travs de la modelacin
qumica, representan el comportamiento real que presenta el ozono respecto a las variables
meteorolgicas, se realiza una comparacin de los resultados obtenidos en la modelacin y los
resultados obtenidos en el anlisis de regresin lineal simple.
4.2.3 Anlisis del ciclo semanal de ozono y su comportamiento respecto a los
precursores y a las variables meteorolgicas
El efecto fin de semana de ozono pone de manifiesto el incremento de las concentraciones de
ozono en la urbe durante el fin de semana, a pesar de una disminucin de las emisiones de los
precursores de ozono por el decaimiento de la actividad humana, y por ende, a un menor
movimiento del parque vehicular los das sbados y domingos (W. Tang et. al., 2008; V. Pont &
J. Montan, 2001). El comportamiento de ozono y sus precursores durante el fin de semana se
debe particularmente a la disminucin de los NOx, que en un 90% corresponden NO, y que
dentro de las reacciones de ozono contribuye a la destruccin de ozono (ver reaccin N 3,
captulo 3). As, con una menor disponibilidad de NO en el aire, una menor cantidad de ozono
ser destruido. En cuanto a los precursores COVs representan a un menor porcentaje dentro de
las emisiones en la cuenca de Santiago (CENMA, 2000; DITUC, 2005). Segn los inventarios
de emisiones realizados para la Regin Metropolitana, el transporte est calificado como el
sector que contribuye con la mayor cantidad de contaminantes en la cuenca, con un 81% en las
concentraciones totales de NOx y un 31% del total de COVs en el inventario de emisiones de la
R.M. base 2000 (CENMA, 2000), y 71% de los NOx totales y 19% de los COVs en el inventario
de emisiones de la R.M. base 2005 (DITUC, 2005).
En el estudio se us ciclos semanales de las estaciones de monitoreo, para evaluar si existe el
efecto fin de semana de ozono en la cuenca de Santiago, y la influencia que tendran las
variables meteorolgicas y los precursores de este contaminante secundario. Por otra parte, en
un diagrama de isopletas de ozono representativo para la cuenca de Santiago, se trat de
determinar las zonas en que la proporcin de COVs y NOx se ubicaran las estaciones de
monitoreo de la cuenca de Santiago.
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21
4.2.4 Identificacin de patrones sinpticos relacionados al comportamiento del ozono
troposfrico
Para establecer los aspectos meteorolgicos a escala sinptica que propician el aumento de
contaminacin por ozono, se contrast das de altas y bajas concentraciones de ozono. El
criterio de seleccin de los eventos fue definido de acuerdo a lo siguiente:
Para altas concentraciones de ozono, se seleccionaron los das en que tres o ms estaciones
de la cuenca superen o igualen 100 ppb como valor mximo diario. Teniendo como antecedente
que el umbral permitido para la exposicin de ozono en la poblacin es de 90 ppb como valor
horario (Consejo Europeo Directiva 92/72/CEE), y que en tiempo de exposicin menores a una
hora, valores entre 80 y 150 ppb generan efectos negativos en la salud humana, motivo por el
cual el lmite mximo permisible es de 77 ppb valor hora, segn recomendaciones de la
Environmental Protection Agency (EPA) y Organizacin Mundial de la Salud (OMS). Se
consider tres o ms estaciones con alta concentracin de ozono, de manera que el aspecto
meteorolgico de escala sinptica sea una manifestacin generalizada en la cuenca, no
atribuible a un efecto local.
En tanto que para los casos de bajas concentraciones de ozono, definido en forma arbitraria, se
us das en que el mximo valor diario en la cuenca sea menor o igual a 50 ppb.
Para la identificacin de los patrones sinpticos en los casos de altas y bajas concentraciones
definidos previamente, se utiliz la informacin de cartas de reanlisis de valores medios diarios
de la altura geopotencial de 500 hPa y de la presin atmosfrica reducida al nivel del mar,
complementado con informacin meteorolgica de radiosondeos de Quintero y Santo Domingo
a las 12Z. De la informacin de los radiosondeos se calcularon los promedios de las variables
de temperatura, temperatura del punto de roco y velocidad del viento, en los niveles
mandatorios (925 hPa, 850 hPa, 700 hPa y 500 hPa), y de los niveles cercanos a 950 hPa y
900 hPa. En cuanto a la direccin del viento, se tom el valor predominante registrado en cada
nivel mandatorio y el valor predominante ms cercano en los perfiles verticales en 950 hPa y
900 hPa.
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5 Resultados y Discusin
5.1 Anlisis de ozono respecto a las variables meteorolgicas con distintas tcnicas
estadsticas
5.1.1 Anlisis de regresin lineal simple y validez de los resultados
De acuerdo a los aspectos tericos de la formacin qumica de ozono (captulo 3), las variables
meteorolgicas a analizar con respecto a su comportamiento con el ozono corresponden a la
radiacin solar, temperatura, vapor de agua, adems del viento. En cuanto al vapor de agua, lo
ms adecuado sera usar la humedad especfica por indicar el contenido real de vapor de agua
en el aire. Sin embargo, al no contar con la informacin de esta variable y tampoco con datos de
presin en las estaciones de la red MACAM-II que permitan calcularla, se us la humedad
relativa como indicador directo de vapor de agua, y a modo de prueba, se estim la humedad
especfica usando datos de presin de la estacin de Lo Prado. Dado que la humedad
especfica se utilizar para analizar su variabilidad diaria respecto al ozono, no fue necesario
realizar un ajuste por altura de los datos de presin de Lo Prado medidos a 1065 metros.
En el anlisis se observ un comportamiento similar en todas las estaciones de la red MACAM-
II, por lo cual se presentar los grficos de dispersin y ajuste lineal correspondientes a la
estacin de Las Condes, por ser la estacin ms afectada por altas concentraciones de ozono.
El despliegue grfico de las otras estaciones se muestra en el anexo 8.2.1. Para el caso de
radiacin solar se usaron los datos de La Platina y Lo Prado, para correlacionarla con el ozono
registrado en las estaciones de la red MACAM-II.
Ozono respecto a la radiacin solar
Las Figuras 5-1 y 5-2 muestran la relacin de los mximos valores diarios de ozono en la
estacin Las Condes, y los mximos valores diarios de radiacin solar en las estaciones de La
Platina y Lo Prado, respectivamente. En ambos casos se distingue un mal ajuste lineal, ya que
existe una marcada acumulacin en los valores altos de radiacin con gran dispersin en la
nube de puntos, distribuida casi uniformemente en todos los valores de concentracin de ozono,
resaltando la baja relacin existente. Los casos de menor radiacin corresponden tpicamente a
das con abundante nubosidad, y se correlacionan mejor con bajos niveles de ozono.
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Figura 5-1 Dispersin entre los mximos valores diarios de ozono en Las Condes y
mximos valores de radiacin solar en La Platina 1998-2006, incluyendo ajuste lineal.
Figura 5-2 Dispersin entre los mximos valores diarios de ozono en Las Condes y
mximos valores de radiacin solar en Lo Prado 1998-2006, incluyendo ajuste lineal.
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Ozono respecto a la temperatura
En cuanto a la relacin del ozono respecto a la temperatura, se puede apreciar en la Figura 5-3
(Mximos valores diarios de ozono respecto a las mximas temperaturas en la estacin de Las
Condes), que la temperatura explica un 55% (r=0.74) de la variabilidad diaria de ozono, es
decir, existe una buena correlacin entre las variables, con baja dispersin de los datos en torno
al ajuste lineal. Se puede distinguir una mayor aglomeracin de puntos entre los 26 y 30 C,
acorde a concentraciones entre 70 y 120 ppb de ozono. Esto representa el tpico
comportamiento durante la poca estival en das con altas temperaturas y elevadas
concentraciones de ozono (Bowman y Seinfeld, 1994).
Figura 5-3 Dispersin entre los mximos valores diarios de ozono y mximos valores diarios de temperatura en Las Condes 1998-2006, incluyendo ajuste lineal.
Ozono respecto a la humedad
Analizando la Figura 5-4 se puede apreciar que las mximas concentraciones diarias de ozono
y mnimos valores diarios de la humedad relativa tienen una correlacin negativa y un ajuste
con un coeficiente de correlacin de 0.42. Pese a que las variables se ajustan linealmente, se
observa una dispersin importante de la nube de puntos respecto a la recta, evidenciando la
baja correlacin entre la humedad relativa y el ozono. En la grfica se identifican algunos
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valores con alta humedad relativa y bajas concentraciones de ozono, que corresponden
tpicamente a das nublados y/o das de advecciones de aire proveniente desde la costa.
Figura 5-4 Dispersin entre los mximos diarios de ozono y mnimos valores diarios de humedad relativa en Las Condes 1998-2006, incluyendo ajuste lineal.
Analizando la humedad especfica mnima respecto al ozono en Las Condes, calculada usando
la presin de la estacin de Lo Prado, no siendo necesario el ajuste de la presin por altura, se
puede apreciar en la Figura 5-5 que la correlacin entre estas variables es prcticamente nula, y
no se ajusta a ninguna funcin matemtica. El coeficiente de correlacin es un valor cercano a
cero, correspondiente a 0.002.
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Figura 5-5 Dispersin entre los mximos diarios de ozono y mnimos valores diarios de
humedad especfica en Las Condes 1998-2006, incluyendo ajuste lineal.
Ozono respecto al viento
La velocidad mnima del viento respecto al ozono en la estacin de Las Condes muestra una
baja correlacin como se puede apreciar en la Figura 5-6, situacin que se repite en general en
todas las estaciones de la cuenca y que se acenta mucho ms al correlacionar el ozono con la
mxima velocidad del viento diaria (no mostrado). En cuanto a las componentes u y v en
relacin al ozono, presentan resultados similares que los encontrados con la mnima y mxima
velocidad del viento, motivo por el cual el despliegue grfico no se mostrar en este estudio.
Los valores bajos de correlacin entre el ozono y la velocidad del viento, podran atribuirse a
que los resultados consideran como dato de entrada los valores mnimos diarios de la velocidad
del viento, que en el periodo estival dentro del ciclo diario (Figura 5-7), en general corresponden
a maanas de calma. Por otra parte, resultados similares se obtuvieron al utilizar los valores
mximos diarios de la velocidad del viento respecto al ozono mximo, debido a que entre cada
da las variaciones de las mximas velocidades en el periodo estival son bajas, registrndose
valores muy similares.
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Figura 5-6 Dispersin entre los mximos diarios de ozono y mnimos diarios de velocidad del viento en Las Condes 1998-2006, incluyendo ajuste lineal.
Figura 5-7 Ciclo diario del promedio de velocidad del viento en las estaciones de la red
MACAM-II, del perodo de Diciembre a Febrero de los aos 1998 al 2006.
A pesar de la baja correlacin entre ozono y la velocidad del viento, los resultados obtenidos no
seran concluyentes para determinar que el transporte no influye en la acumulacin de
precursores requeridos para la generacin de ozono o en la distribucin de este contaminante
secundario dentro de la cuenca. Si se observa en la Figura 5-8 los ciclos diarios de ozono en la
red MACAM-II, se puede apreciar un desfase temporal en las mximas concentraciones de
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ozono en las estaciones ubicadas de oeste a este, es decir, en Pudahuel, Cerrillos y El Bosque
los mximos valores se dan entre las 12 y 13 horas, en La Florida, La Paz y Parque OHiggins a
las 13 horas y en Las Condes a las 14 horas, lo que podra indicar que las mximas
concentraciones de ozono alcanzadas en el sector oriente pueden estar afectada por el
trasporte ocasionado por el flujo de viento local diurno (de valle a cordillera).
Figura 5-8 Ciclo diario de ozono en las estaciones de la Red MACAM-II, meses de diciembre a febrero de los aos 1998-2006.
Resumen de los resultados obtenidos en los ajustes de regresin lineal
En la Tabla 5-1 se presentan los resultados de coeficiente de determinacin desprendidos de
los ajustes, y en la Tabla 5-2 los valores de las pendientes de las ecuaciones obtenidas a travs
del mtodo de regresin lineal simple.
Si se considera los coeficientes de determinacin (r2) entre el ozono con cada una de las
variables meteorolgicas analizadas, y resumidas en La Tabla 5-1, se concluye que la variable
de mayor correlacin con el ozono es la temperatura mxima. Luego, la humedad relativa,
radiacin solar en Lo Prado y La Platina, y finalmente las variables de velocidad del viento con
valores muy bajos. Los resultados indican que la varianza total del ozono dentro de la cuenca,
puede ser explicada en un 42 a 56% (r2) por la variacin de la temperatura mxima con
respecto a la recta de regresin.
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Temp Mx.
HR Mn.
H. Esp. Mn.
Rad.Solar Mx.
Platina
Rad.Solar Mx.
Lo Prado
Veloc. Viento Mn.
Veloc. Viento Mx.
Flujo zonal
u
Flujo Merid.
v
O3 La Paz 0.56 0.24 0.02 0.08 0.12 0.084 0.003 0.004 0.001 O3 La Florida 0.44 0.18 0.003 0.10 0.10 0.004 0.063 0.023 0.020 O3 Condes 0.55 0.18 4*10
-6 0.10 0.10 0.029 0.000 0.000 0.005 O3 Parque 0.53 0.28 0.03 0.10 0.13 0.168 0.004 0.003 0.002 O3 Pudahuel 0.50 0.29 0.04 0.05 0.10 0.176 0.000 0.008 0.000 O3 Cerrillos 0.55 0.32 0.05 0.08 0.11 0.160 0.010 0.002 0.000 O3 El Bosque 0.42 0.26 0.03 0.06 0.10 0.004 0.026 0.003 0.002
Tabla 5-1 Resumen del coeficiente de determinacin r2 de la relacin
entre ozono y variables meteorolgicas, perodo 1998-2006.
Asimismo, la humedad relativa puede justificar entre un 18 a 32% (r2) de la variabilidad que
presenta el ozono. No as la humedad especfica, que no presenta relacin con el ozono
superficial, pese a que indica la cantidad de vapor de agua en el aire, y por ende tiene mayor
representatividad en la formacin qumica de ozono que la humedad relativa (reaccin qumica
N 5, Capitulo 3). Los resultados obtenidos de la relacin entre ozono y humedad relativa se
podran atribuir a que pesar de que la humedad relativa es un indicador indirecto de la humedad
que existe en el aire, tambin tiene una estrecha relacin inversa con el comportamiento de la
temperatura. Esto no sucede con la humedad especfica, que presenta una baja sensibilidad a
los cambios de temperatura y baja variabilidad en el ciclo diario.
Considerando las pendientes de las rectas ajustadas, en la Tabla 5-2 se muestra las pendientes
de regresin para el ozono referente a la temperatura y humedad relativa (pendientes ms
significativas). La estacin de Las Condes es la que presenta las mayores pendientes para
ambas variables meteorolgicas, es decir, la variacin de 1C de temperatura se traduce en un
cambio de 6.13 ppb de ozono, en tanto que con el cambio de un 1% de humedad relativa, el
ozono varia en 0.93 ppb.
Temperatura mxima (C/ppb)
Humedad Relativa mnima (%/ppb)
O3 La Paz 4.56 -0.79 O3 La Florida 4.43 -0.76 O3 Condes 6.13 -0.93 O3 Parque 4.52 -0.85 O3 Pudahuel 3.31 -0.64 O3 Cerrillos 4.01 -0.72 O3 El Bosque 3.16 -0.67
Tabla 5-2 Resumen del valor de la pendiente del ajuste lineal en el perodo 1998-2006, de los valores de
ozono en relacin a la temperatura y humedad relativa.
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Esto sugerira que respecto al resto de las estaciones, en el sector de Las Condes existe una
mejor respuesta y concordancia entre estas variables meteorolgicas y el ozono. Por otra parte,
las pendientes menores se ubican en las estaciones localizadas al poniente de Santiago
(Pudahuel, Cerrillos y El Bosque).
El comportamiento diferenciado dentro de la cuenca, podra deberse a una menor
concentracin de precursores para formar ozono en el sector poniente de la cuenca, y
considerando que la mayor fuente de precursores se localizan en la zona cntrica de la ciudad,
estos seran transportados por el flujo local del viento diurno de valle a cordillera hacia el sector
oriente de la cuenca, generando mayores concentraciones de ozono. Adems, el sector
poniente de la cuenca es con cierta frecuencia afectado por advecciones de masas de aire
provenientes desde la costa, y que dependiendo de su intensidad pueden afectar tardamente o
no afectar al sector centro - oriente de la cuenca. Las advecciones costeras se asocian a bajas
temperaturas, alto grado de humedad y ocasionalmente ingreso de nubosidad baja,
contribuyendo a disminuir los niveles de ozono.
Discusin de las variables de temperatura y radiacin solar en relacin al comportamiento frente
al ozono
Considerando que la radiacin solar tiene una mayor influencia en la formacin qumica de
ozono (ver Captulo 3), surge la pregunta de por qu entonces el ozono se correlacion mejor
con la temperatura en el anlisis realizado en la seccin anterior. Para responder a esta
interrogante, se compar la radiacin solar en La Platina con la temperatura en Las Condes
(Figura 5-9), y la radiacin solar en La Platina con el ozono en Las Condes (Figura 5-10). En
ambas figuras, se puede observar una mayor variabilidad en torno a la variable independiente
(eje x), es decir, a la temperatura y al ozono, que en torno a la variable dependiente la cual
corresponde a la radiacin solar (eje y), destacndose una mayor capacidad de la temperatura
para reflejar las variaciones diarias del ozono. La radiacin solar acta ms notoriamente en el
ozono cuando hay aporte de nubosidad, que es menos frecuente dentro del periodo estival, en
el cual la condicin predominante es de cielo despejado.
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Figura 5-9 Dispersin entre los valores mximos diarios de temperatura en Las Condes (eje x) y radiacin solar en La Platina (eje y) 1998-2006.
Figura 5-10 Dispersin entre los valores mximos diarios de ozono en Las Condes (eje x) y radiacin
solar (eje y) en La Platina 1998-2006.
Validez de los resultados del mtodo de regresin lineal
En estas pruebas estadsticas hubo falta de cumplimiento de algunos de los requisitos de
validez, por lo cual, los resultados obtenidos deben ser interpretados con precaucin. El detalle
de las pruebas estadsticas se presenta en el anexo 8.2.2 a y la validez de los resultados
obtenidos con el mtodo de regresin lineal simple se muestra en el anexo 8.2.2 b.
5.1.2 Anlisis de componentes principales
El anlisis de componentes principales, con la base de datos estandarizada para cada una de
las estaciones de la Red MACAM-II, muestra dos componentes fundamentales que se resumen
en la Tabla 5-3 y Tabla 5-4. La combinacin lineal de las variables originales con las dos
primeras componentes sintetizan entre un 60% a 73% de la variacin total del conjunto de
datos, siendo registrada entre un 43% a 50% de la varianza total en la primera componente y
entre un 18% a 20% de la varianza total en la segunda componente, es decir, las variables de
alta representatividad en cada componente principal son capaces de interpretar por s solas
cerca de un 70% de la variacin del resto de las variables (considerando las dos primeras
componentes). Dentro del conjunto de variables utilizadas en el anlisis de componentes
principales, las variables de alta representatividad (o de mayor ponderacin) dentro de las
componentes principales, son aquellas que muestran valores cercanos a 1, y -1 cuando se
relaciona en el conjunto de variables en forma inversa.
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En la Tabla 5-3 se muestra los resultados obtenidos en la primera componente, en la cual se
distingue una mayor ponderacin dentro de la combinacin lineal mltiple con el mximo valor
de ozono, mxima temperatura, mnima humedad relativa y mxima radiacin solar. La
interpretacin fsica de estos resultados indicara que el aumento de ozono est asociado al
incremento de la temperatura y de la radiacin solar, y a sequedad de aire.
RESUMEN PRIMERA COMPONENTE Estaciones de la red MACAM-II
La Paz
La Florida
Las Condes
Parque O.
Pudahuel
Cerrillos
El Bosque
mximo ozono 0.70 0.66 0.68 0.75 0.73 0.75 0.67 mxima temperatura 0.85 0.79 0.82 0.85 0.87 0.86 0.75
mnima HR -0.83 -0.77 -0.81 -0.83 -0.85 -0.84 -0.81 mxima vel. viento 0.31 0.45 0.30 0.22 0.15 0.22 0.44 mnima vel. viento -0.53 0.07 0.31 -0.58 -0.65 -0.60 -0.21
Rad. Solar La Platina 0.71 0.77 0.77 0.68 0.67 0.69 0.73 Rad. Solar Lo Prado 0.71 0.74 0.74 0.73 0.72 0.73 0.78
% de Varianza 50 43 45 48 49 49 43
Tabla 5-3 Matriz de las primeras componentes en las estaciones de la red MACAM-II. Incluye radiacin solar en La Platina y Lo Prado.
La ponderacin o el grado de importancia que tienen las variables en la primera componente
(Tabla 5-3), muestran los factores ms altos en la temperatura y humedad relativa en todas las
estaciones, e incluye a la radiacin solar en las estaciones de La Florida y El Bosque. Adems,
en todas las estaciones se incluye el ozono como una de las ponderaciones ms altas dentro
del conjunto de datos.
En la segunda componente resumida en la Tabla 5-4 no se aprecia un comportamiento nico en
esta combinacin lineal, sin embargo, la variable ms dominante es la velocidad del viento
mximo en todas las estaciones de monitoreo. Se distingue en las estaciones de Las Condes,
El Bosque y La Paz una mayor ponderacin de ozono relacionada inversamente con las
mximas velocidades del viento, adems, en la estacin de La Paz tambin incluye con una alta
ponderacin la radiacin solar en La Platina. En general se puede interpretar en la segunda
componente que el descenso de las concentraciones de ozono se relaciona a un aumento de la
velocidad del viento.
RESUMEN SEGUNDA COMPONENTE Estaciones de la red MACAM-II
La Paz
La Florida
Las Condes
Parque O.
Pudahuel
Cerrillos
El Bosque
mximo ozono -0.50 -0.15 -0.52 -0.33 -0.31 -0.33 -0.54 mxima temperatura -0.33 -0.37 -0.41 -0.30 -0.22 -0.27 -0.48
mnima HR 0.05 0.24 0.07 0.15 0.15 0.13 0.17
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33
RESUMEN SEGUNDA COMPONENTE Estaciones de la red MACAM-II
La Paz
La Florida
Las Condes
Parque O.
Pudahuel
Cerrillos
El Bosque
mxima vel. viento 0.65 0.68 0.75 0.72 0.75 0.71 0.56 mnima vel. viento 0.28 0.79 -0.04 0.39 0.37 0.37 -0.05
Rad. Solar La Platina 0.54 0.35 0.41 0.55 0.53 0.52 0.48 Rad. Solar Lo Prado 0.34 -0.07 0.29 0.43 0.45 0.41 0.33
% de Varianza 18 20 18 20 19 18 17 Tabla 5-4 Matriz de las segundas componentes en las estaciones de la red MACAM-II. Incluye radiacin
solar en La Platina y Lo Prado.
En estos resultados al igual que en los resultados de correlaciones lineales simples, se
distingue la relacin entre ozono y temperatura. Reforzando, adems, la relacin del ozono con
la humedad relativa, radiacin solar, y particularmente, ozono con la mxima velocidad de
viento en la segunda componente principal, variable no relevante en resultados expuestos con
anterioridad.
5.1.3 Anlisis de regresin lineal mltiple y validez de los resultados
Los resultados de los modelos de regresin lineal mltiple para determinar el ozono en cada
una de las estaciones de la red MACAM-II, sern denominados como a para la estacin de La
Paz, b para La Florida, c para Las Condes, d para Parque OHiggins, e para Pudahuel, f
para Cerrillos y g para la estacin El Bosque. A continuacin, se presentan las ecuaciones
ajustadas y posteriormente los coeficientes de ajuste de las ecuaciones.
En la Tabla 5-5 se detallan los ajustes de las ecuaciones de regresin lineal mltiple
resultantes. Se puede apreciar que la variable de mayor importancia en el ozono es la
temperatura, ms an en la estacin Parque OHiggins ya que es la nica variable considerada
dentro de la ecuacin. En segundo orden, est la humedad relativa en la estacin de Pudahuel,
Cerrillos y El Bosque, radiacin solar en La Paz y Las Condes, y la mxima velocidad del viento
en La Florida. La ltima variable de ingreso en la modelacin corresponde a la radiacin solar
en todas las estaciones, exceptuando La Paz que integra la mxima velocidad del viento.
La segunda y tercera variable ingresadas en las ecuaciones ajustadas, son de poco peso
estadstico dentro de la modelacin, debido a que el coeficiente de correlacin al incluir estas
variables, presentan un aumento de 1% a 5% de capacidad para explicar mejor las variaciones
de ozono. El detalle de este aumento porcentual se presenta en el anexo 8.2.3.
-
34
Tabla 5-5 Resumen de modelos ajustados para las estaciones de la red MACAM-II.
El comportamiento fsico de ozono respecto a las variables meteorolgicas, muestra que los
incrementos de las concentraciones de ozono estn relacionados con aumento de la
temperatura, descenso de la humedad relativa, adems de alta radiacin solar y baja velocidad
del viento. Sin embargo, estas dos ltimas variables mencionadas, especficamente la velocidad
del viento en la ecuacin de La Florida y la radiacin solar en Lo Prado en todas las ecuaciones,
presentan un comportamiento contradictorio al esperado respecto al ozono. Si bien se
desconoce la o las razones por las cuales presentan un comportamiento opuesto en los ajustes,
en cuanto a la radiacin solar se tiene el antecedente que esta variable presenta un mal ajuste
lineal con el ozono en los resultados de regresin simple (seccin 5.1.1, Figura 5-1 y Figura
5-2). Por otra parte, la segunda y tercera variable de entrada, que en este caso estn referidas
Estacin Id Ecuaciones ajustadas para el mximo diario de ozono
La Paz a -64.649 + 4.927 * temperatura mxima en La Paz - 0.016 * mxima radiacin solar en Lo Prado -2.440 * mxima velocidad del viento en La Paz
La Florida b
-59.562 + 4.599 * temperatura mxima en La Florida + 4.590 * mxima velocidad del viento en La Florida -0.021 * mxima radiacin solar en Lo Prado
Las Condes c
-75.294 + 6.281 * temperatura mxima en Las Condes -0.031 * mxima radiacin solar en Lo Prado + 0.023 * mxima radiacin solar en La Platina
Parque O. d
-68.659 + 4.529 * temperatura mxima en Parque OHiggins
Pudahuel e
-21.859 + 3.012 * temperatura mxima en Pudahuel - 0.160 * humedad relativa mnima en Pudahuel - 0.010 * mxima radiacin solar en La Platina
Cerrillos f
-34.547 + 3.778 * temperatura mxima en Cerrillos - 0.168 * humedad relativa mnima en Cerrillos -0.013 * mxima radiacin solar en Lo Prado
El Bosque g
-2.363 + 2.633 * temperatura mxima en El Bosque - 0.306 * humedad relativa mnima en El Bosque - 0.012 * mxima radiacin solar en Lo Prado
-
35
a la radiacin solar en Lo Prado, son de poca importancia en la modelacin de ozono en la
regresin lineal mltiple como se detalla en el anexo 8.2.3.
En la Tabla 5-6 se puede apreciar los coeficientes de ajustes de las regresiones lineales
mltiples (ecuaciones mostradas anteriormente), en los cuales los valores de coeficiente de
determinacin (R2) de las ecuaciones resultantes, varan entre 0.46 a 0.59 (R=0.68 a R=0.77),
mientras que los errores estndar varan entre 8.5 ppb a 14.4 ppb. Los mejores ajustes lineales
mltiples se presentan en las estaciones de La Paz (a), Las Condes (c) y Cerrillos (f).
Tabla 5-6 Coeficientes de ajuste de las ecuaciones en las estaciones de la red MACAM-II.
Los resultados de la regresin lineal mltiple confirman las deducciones obtenidas de los
anlisis anteriores, en los cuales se establece que la temperatura mxima es la variable que
mejor se relaciona con el ozono, en tanto que el resto de las variables meteorolgicas pasan a
un segundo plano en el anlisis estadstico realizado.
Validez de los resultados del mtodo de regresin mltiple
A nivel general, en las pruebas de validez de los ajustes no se cumple con la totalidad de los
requisitos establecidos, por lo cual, la interpretacin de los resultados se deben tomar con cierta
reserva. El detalle de las pruebas estadsticas se presenta en el anexo 8.2.2 a y 8.2.4 a,
mientras que la validez de los resultados obtenidos con el mtodo de regresin lineal mltiple se
muestra en el anexo 8.2.4 b.
Estacin
Modelo
R
R2
Error estndar de la estimacin (ppb)
La Paz a 0.77 0.59 10.1
La Florida b 0.70 0.48 12.8
Las Condes c 0.75 0.56 14.4
Parque O. d 0.74 0.54 11.3
Pudahuel e 0.72 0.52 8.6
Cerrillos f 0.75 0.57 9.6
El Bosque g 0.68 0.46 10.0
-
36
5.2 Modelo qumico de caja para el anlisis de las relaciones existentes entre ozono y
las variables meteorolgicas
Sobre la base de los resultados mostrados en las secciones anteriores que indican que la
relacin ms fuerte se da entre el ozono y la temperatura, se aplicar el modelo qumico de caja
para estas dos variables.
El modelo qumico de caja (Stockwell et. al., 1990) tiene la caracterstica de mostrar el
comportamiento temporal de la qumica atmosfrica bajo distintas condiciones meteorolgicas
de entrada. Variando la temperatura en el modelo y, al mismo tiempo manteniendo constante
tanto las otras variables meteorolgicas como la condicin qumica inicial, permite evaluar el
impacto de la temperatura en las reacciones qumicas que forman ozono.
Los compuestos considerados por el modelo son: etano (eth), alcanos c3-c5 (hc3), alcanos c6-
c8 (hc5), otros alcanos (hc8), isopreno (iso), eteno (ol2), alquenos internos (oli), alquenos
terminales (olt), tolueno (tol), xileno (xyl). De ellos solamente el etano (eth), isopreno (iso) y
eteno (ol2) representan un COV de manera explcita en el modelo qumico. Adems, se utiliza
una mezcla de compuestos obtenidos en una campaa de medicin realizada en primavera del
ao 2002 en la Regin Metropolitana (Rappengluck et. al., 2005). En esta campaa se identific
que la mayor fraccin de COV en las reas de medicin estn dados por alkanes, seguido por
aromticos y alkenes, y en menor fraccin estn los alkynes o isoprenos. Esta mezcla de
compuestos es denominada en la modelacin como Mezcla Santiago (mix).
Las condiciones iniciales utilizada en el modelo son:
Temperatura: 298 K
Presin 1013.25 mbar
NO: 50 ppb, NO2: 8 ppb, HCHO: 30 ppb, ALD: 30 ppb, COVs: 100 ppb
En caso de mezcla Santiago:
NO: 50 ppb, NO2: 8 ppb, HCHO: 100 ppb, ALD: 100 ppb
HC3: 34 ppb, HC5: 18ppb, HC8: 12 ppb, OL2: 7 ppb, OLT: 4 ppb, OLI: 3 ppb, TOL: 15 ppb,
XYL: 7 ppb, HCHO: 30 ppb, ALD: 30 ppb.
Luego de correr el modelo se obtuvieron los resultados de la relacin entre ozono y la
temperatura, los resultados del modelo qumico de caja fueron ajustados linealmente, y
posteriormente comparados con los ajustes del tipo lineal simple obtenidos en la seccin 5.1.1.
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37
En la Tabla 5-7 se muestran los resultados de las pendientes de los ajustes de ozono respecto
a la temperatura, de las salidas del modelo qumico de caja y de los ajustes lineales simples de
la estaciones de la red MACAM-II. En ella se aprecia, en general, que las pendientes de las
rectas de ozono generadas por diversos compuestos qumicos de COVs y temperatura, tienden
a ser menores que las rectas entre ozono y temperatura para las estaciones de monitoreo con
el ajuste lineal simple obtenido anteriormente en la seccin 5.1.1.
Relacin ozono y temperatura
Compuestos COVs usados para formar
ozono
Valor de la pendiente
Salidas modelo qumico (C/ppb)
Estaciones
Valor de la pendiente
Ajuste regresin lineal simple
(C/ppb)
Etano (eth) 0.45 La Paz 4.56
Alcanos c3-c5 (hc3) 1.85 La Florida 4.43
Alcanos c6-c8 (hc5) 1.11 Las Condes 6.13
Otros Alcanos (hc8) 0.95 Parque OHiggins 4.52
Eteno (ol2) 2.25 Pudahuel 3.31
Alquenos internos (oli) 4.20 Cerrillos 4.01
Alquenos terminales (olt) 3.64 El Bosque 3.16
Isopreno (iso) 3.71
Tolueno (tol) 0.73
Xileno (xyl) 1.30
Mezcla Santiago (mix) 1.66
Tabla 5-7 Pendiente de la recta obtenida de la relacin temperatura y ozono generado a partir de distintos compuestos qumicos, y del ajuste de regresin lineal simple entre ozono y temperatura para los
valores mximos en la estaciones de la red MACAM-II perodo 1998 al 2006.
En la Figura 5-11 se grafica la relacin ozono y temperatura, del ozono formado con variados
tipos de COVs, y de las rectas de regresin ajustadas de mayor pendiente correspondientes a
Parque Ohiggins y Las Condes. De la Figura 5-11 se distingue con claridad que Parque
Ohiggins (lnea gruesa gris) y Las Condes (lnea gruesa negra) tienen mayor pendiente
respecto a las salidas del modelo qumico.
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38
Figura 5-11 Salidas del modelo qumico de caja, usando el ozono de la reaccin de familia de COVs y la temperatura; y la comparacin con los ajustes de regresin lineal de ozono y temperatura de Las Condes y Parque OHiggins perodo 1998 al 2006, acotada a valores
sobre 24C de temperatura.
La mayor sensibilidad de los compuestos corresponde a alquenos internos (oli), alquenos
terminales (olt) e isoprenos (iso), de los cuales slo el isopreno es tratado explcitamente por el
modelo. Estos muestran mayor relacin entre ozono y la temperatura en el sector poniente de la
cuenca, incluso con mayores pendientes a las observadas. En cuanto a la mezcla de
compuestos medidos en una campaa fotoqumica para Santiago (Rappengluck et. al., 2005), la
modelacin qumica muestra una baja relacin entre ozono y temperatura, respecto a la
mayora de los compuestos y a las mediciones de las estaciones de monitoreo.
Se contrast los casos de mayor pendiente correspondientes a la modelacin de alquenos
internos y los resultados en la estacin de Las Condes. Las pendientes registran en alquenos
internos un aumento de 4.2 ppb de ozono por cada grado de temperatura, en tanto que en Las
Condes el aumento es de 6.1 ppb para igual incremento trmico. Se estim que
aproximadamente un 30% de la relacin entre ozono y temperatura no es explicado por medio
de la qumica (modelo qumico de caja). Esto podra deberse a emisiones fugitivas no incluidas
dentro de la modelacin qumica, y/o a procesos fsicos de escala local propiciadas por
condiciones meteorolgicas no representadas de manera adecuada por el modelo qumico.
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39
5.3 Anlisis de la evolucin del ciclo semanal de ozono y su comportamiento respecto
a sus precursores y variables meteorolgicas
El siguiente anlisis tiene como objetivo evaluar el ciclo semanal de ozono en la cuenca de
Santiago, analizando la contribucin a este ciclo de sus precursores, y de las variables
meteorolgicas, adems de evaluar la existencia del efecto fin de semana de ozono.
El efecto fin de semana de ozono corresponde a un aumento de las concentraciones de ozono
en la urbe durante el fin de semana, a pesar de una disminucin de las emisiones de los
precursores de ozono por el decaimiento de la actividad humana, y por ende, a un menor
movimiento del parque vehicular los das sbados y domingos (W. Tang et. al., 2008; V. Pont &
J. Montan, 2001). El comportamiento de ozono y sus precursores durante el fin de semana se
debe particularmente a la disminucin de los NOx, que en un 90% corresponden NO, y que
dentro de las reacciones de ozono contribuye a la destruccin de ozono (ver reaccin N 3,
captulo 3). As, con una menor disponibilidad de NO en el aire, una menor cantidad de ozono
ser destruido. En cuanto a los precursores COVs representan a un menor porcentaje dentro de
las emisiones en la cuenca de Santiago (CENMA, 2000; DITUC, 2005).
Este anlisis se llevar a cabo mediante el estudio del ciclo semanal de ozono, ciclo semanal de
ozono y sus precursores, y finalmente, el ciclo semanal de ozono y variables meteorolgicas.
Ciclo semanal de ozono
El ciclo semanal de ozono en las estaciones de la red MACAM-II se muestra en la Figura 5-12,
calculados con los datos correspondientes al perodo de verano, ao 1998 al 2006. Se puede
apreciar que la variacin ms significativa de ozono en das consecutivos se produce el da
domingo en la estacin de Las Condes con una diferencia de 10 ppb. Adems, en esta figura se
puede distinguir que el da lunes es cuando se presentan las menores concentraciones de
ozono.
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40
Figura 5-12 Variacin de lunes a domingo del promedio diario de los mximos de ozono en las estaciones de la red MACAM-II, durante los perodos diciembre a febrero desde 1998 al 2006. (En el eje (y) de las concentraciones de ozono, la escala se inicia a partir de los 40 ppb para
una mejor visualizacin de la figura).
Ciclo semanal de ozono y sus precursores
Con respecto al anlisis del ciclo semanal de ozono y los precursores, se utilizaron datos para
el ozono del perodo 1998 al 2006, y para los precursores se usaron datos del perodo 2003 al
2006, disponibles en las estaciones de Las Condes, Pudahuel y Cerrillos. Los precursores de
ozono corresponden a NOx e hidrocarburos no metnicos (HCNM) que representan a los
COVs, y en adelante se har referencia a ellos como COVs.
Las Figuras 5-13 a 5-15 muestran el ciclo semanal de ozono y los precursores en las tres
estaciones en estudio. En las tres figuras se aprecia un comportamiento similar de los
precursores de ozono, es decir, durante el fin de semana se distingue una disminucin de los
NOx, especialmente el da domingo, y un comportamiento irregular de los COVs. Al mismo
tiempo, la razn COVs/NOx durante el fin de semana muestra un incremento en las estaciones
de Las Condes y Pudahuel, siendo mayor el valor el da domingo. Respecto al ozono en el fin
de semana, tal como se mencion en el punto anterior, se distingue un marcado descenso de
ozono durante el domingo en Las Condes, mientras que las otras estaciones (Pudahuel y
Cerrillos) no presentan variaciones significativas.
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41
Figura 5-13 Variacin semanal promedio de ozono (1998-2006), NOx, COVs y la razn entre
COVs/NOx (2003-2006) en la estacin de Las Condes.
Figura 5-14 Variacin semanal promedio de ozono (1998-2006), NOx, COVs y la razn entre
COVs/NOx (2003-2006) en la estacin de Pudahuel.
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42
Figura 5-15 Variacin semanal de ozono, NOx, COVs y la razn entre COVs/NOx en la estacin de
Cerrillos.
Conociendo el ciclo semanal de ozono y la contribucin a este ciclo de los precursores, se
analizar el rgimen al cual pertenecen las estaciones estudiadas utilizando un diagrama de
isopletas de ozono. Por no contar con un diagrama para la Regin Metropolitana se utilizar
como referencia un diagrama de isopletas para la ciudad de Mxico (PROAIRE, 1996), ya que
los inventarios de emisiones de ambas zonas son similares respecto a los precursores. En la
zona metropolitana del Valle de Mxico (ZMVM) el parque automotriz aporta un 82% de los NOx
totales y un 34% de la totalidad de COVs, segn el inventario de emisiones del ao 20067,
similar al inventario de emisiones de Santiago del ao 2000 (CENMA, 2000) con 81% de los
NOx totales y un 31% de COVs. Conceptualmente el esquema de isopletas de ozono se
caracteriza por presentar dos escenarios (Figura 5-16), un rea limitada por COVs y otra rea
limitada por NOx. Las reas limitadas por COVs corresponden a sectores de altas
concentraciones de NOx, asociadas principalmente a zonas cntricas de la ciudad con una alta
tasa de trnsito vehicular; mientras que las reas limitadas por NOx suelen tener altas
concentraciones de COVs, relacionadas especialmente a sectores perifricos de la ciudad con
mayor presencia de vegetacin y menor trnsito vehicular.
Debido a que las estaciones de Las Condes, Pudahuel y Cerrillos no se localizan en la zona
cntrica de la ciudad, se podra inferir en una primera aproximacin que estas tres estaciones
7 www.sma.df.gob.mx/inventario_emisiones
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43
se situaran en la zona limitada por NOx. No obstante esta consideracin, se debe tener en
cuenta que existen diferencias entre las estaciones de Pudahuel y Cerrillos (sector poniente)
respecto a la estacin de Las Condes (sector oriente), en referencia a la ubicacin de stas. Las
estaciones del sector poniente se sitan viento arriba de las fuentes emisoras, mientras que Las
Condes se ubica viento abajo de las mayores emisiones. Se podra inferir por lo tanto que las
estaciones del poniente representaran la lnea base de concentraciones de ozono dentro de la
cuenca de Santiago, con una baja adveccin de precursores en las horas de aumento de
ozono. A su vez, Las Condes tiene un constante aporte de precursores emitidos en las zonas
cntricas y poniente de la ciudad, que participan en la formacin de ozono de esta estacin, el
cual perdura hasta el da domingo. Sin embargo, en este da se aprecia una menor cantidad de
precursores (Figura 5-13), lo que se traduce en una disminucin de ozono en Las Condes.
La variacin de ozono en Las Condes el da domingo sealada en el prrafo anterior, puede ser
visualizada en el diagrama de isopletas de la Figura 5-16. La flecha A en la zona limitada por
NOx, muestra el descenso de ozono durante el da domingo a raz de la disminucin de los NOx
en esta estacin. Asimismo, en esta misma zona del grfico de isopletas (limitada por NOx) se
deberan ubicar las estaciones del poniente (Pudahuel y Cerrillos), que por su escasa variacin
de ozono durante el fin de semana respecto a los otros das se ubicaran en forma paralela a las
isopletas de ozono.
Figura 5-16 Diagrama de isopletas de ozono basadas en la simulacin qumica para la zona
metropolitana del Valle de Mxico (PROAIRE, 1996).
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44
El anlisis previo de esta seccin no ha permitido establecer la existencia del efecto fin de
semana de ozono, debido a la falta de informacin de estaciones que se ubiquen en la zona
cntrica de la ciudad. Es por ello, que se utilizar como informacin anexa los datos de ozono
de la estacin de Providencia del periodo 1999 al 20038, para evaluar la presencia de este
efecto en la cuenca de Santiago.
El ciclo semanal de ozono en la estacin de Providencia se muestra en la Figura 5-17, donde se
aprecia un notorio aumento de las concentraciones de ozono durante el fin de semana respecto
a los otros das, lo cual sugerira la ocurrencia del efecto fin de semana en esta estacin. Para
tal suposicin, se necesita que el aumento de ozono el fin de semana est relacionado a una
disminucin de los precursores por una menor circulacin de vehculos, pero al no contar con
mediciones de precursores en la estacin de Providencia, se podra asumir que existe dicha
disminucin de los NOx basndose en el comportamiento de las tres estaciones analizadas
anteriormente.
Considerando lo anterior y retomando el diagrama de isopletas de ozono (Figura 5-16), se
podra inferir que el aumento del ozono durante el fin de semana en la estacin de Providencia
estara representado por la flecha B, ubicada en la zona limitada por COVs.
0
10
20
30
40
50
60
Lunes Martes Mircoles Jueves Viernes Sbado Domingo
Con
cent
raci
ones
de
Ozo
no (
ppb)
Figura 5-17 Variacin de lunes a domingo del promedio diario de los mximos de ozono en la estacin de Providencia (perodo diciembre a enero, aos 1999 a 2003).
8 Detalle de los datos utilizados en seccin 4.1 informacin utilizada.
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45
Ciclo semanal de ozono y variables meteorolgicas
Otro de los aspectos importantes que podra influir en la variacin de ozono dentro el ciclo
semanal, son las variables meteorolgicas, especficamente la temperatura, humedad relativa y
radiacin solar, lo que se analizar a continuacin.
El ciclo semanal de ozono, temperatura y humedad relativa para las estaciones de Las Condes
(Figura 5-18), Pudahuel (Figura 5-19) y Cerrillos (Figura 5-20), muestra que las diferencias en la
humedad relativa y temperatura, son poco relevantes para influir en el comportamiento semanal
de ozono.
Figura 5-18 Variacin semanal promedio de temperatura mxima, humedad relativa mnima y ozono
mximo en la estacin de Las Condes perodo 1998-2006.
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46
Figura 5-19 Variacin semanal promedio de temperatura mxima, humedad relativa mnima y ozono
mximo en la estacin de Pudahuel perodo 1998-2006.
Figura 5-20 Variacin semanal de temperatura mxima, humedad relativa mnima y ozono en la
estacin de Cerrillos perodo 1998-2006.
Con respecto a la radiacin solar, en la Figura 5-21 se muestra el comportamiento semanal de
ozono en las tres estaciones en estudio y la radiacin solar disponible en La Platina y Lo Prado.
Se puede apreciar que las variaciones de esta variable son poco significativas dentro del ciclo
semanal, y que al igual que las otras variables meteorolgicas son poco relevantes para influir
en el comportamiento semanal de ozono.
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Figura 5-21 Variacin semanal promedio de la radiacin solar mxima en La Platina, Lo Prado y
ozono en Las Condes, Pudahuel y Cerrillos, perodo 1998-2006.
En resumen, el efecto fin de semana de ozono podra estar presente en la estacin cntrica de
Providencia, la que posee una mayor afluencia vehicular. Otro aspecto interesante de
mencionar es la disminucin de ozono el da domingo en Las Condes, que est relacionado con
una disminucin de los precursores y su ubicacin viento abajo de las fuentes emisoras.
Por otra parte, se logr determinar que la variacin de ozono en el ciclo semanal depende
directamente de las variaciones de los precursores de ozono, sin la influencia de las variables
meteorolg