Variabilidad de niveles y composición del material particulado en suspensión en el sudeste de la Península Ibérica

Abstract

[SPA] La Ley 34/2007 de 15 noviembre, de calidad del aire y protección de la atmósfera, define la contaminación atmosférica como “la presencia en la atmósfera de materias,sustancias o formas de energía que impliquen molestia grave, riesgo o daño para la seguridad o la salud de las personas, el medio ambiente y demás bienes de cualquier naturaleza”. Las partículas presentes en el aerosol en suspensión pueden tener tanto un origen natural como antropogénico. La Directiva 2008/50/CE consciente de que las aportaciones de las fuentes naturales no pueden controlarse, permite considerar los aportes correspondientes a estas fuentes cuando se demuestren sólidamente a la hora de evaluar el cumplimiento de los valores límite. Las fuentes naturales de emisión que con mayor relevancia afectan a los niveles de partículas en suspensión en aire ambiente en el sudeste de la Península Ibérica son las contribuciones de polvo desde los desiertos africanos, la resuspensión local de material particulado y el aerosol marino (Moreno Grau, 1998; Querol et al., 2006; Negral et al., 2008, 2010). Ya que toda fuente de emisión de PM tiene su huella química, es interesante buscar a los trazadores que la caracterizan (Li et al., 2003). De esta manera se podrá detectar en base a ellos la influencia de dicha fuente en los niveles de PM en aire ambiente, y cuantificar cuál es su contribución a la variabilidad temporal y espacial de los mismos de acuerdo a las características de la emisión y a los factores meteorológicos. Objetivos: Los objetivos generales de investigación de la presente tesis son: a) interpretar la variabilidad de los niveles de PM10 y PM2.5 en aire ambiente y de sus componentes mayoritarios, minoritarios y traza; b) identificar y cuantificar los aportes de origen africano a los niveles de aire ambiente de PM10 y PM2.5, así como los de otras fuentes de emisión tanto antropogénicas como naturales. Material y Métodos: Se han tomado muestras de material particulado en suspensión tanto de la fracción PM10 como PM2.5 en tres ubicaciones de la ciudad de Cartagena: Bastarreche, Santa Ana y Mompeán. Se han realizado las determinaciones gravimétricas de los niveles de PM10 y PM2.5 en aire ambiente, así como de la especiación química de las muestras (ICP-MS,ICP-AES, Cromatografía iónica, análisis elemental de C, OC y EC). Se han procesado los resultados de la Red de Calidad del Aire de la Región de Murcia, elaborando las bases de datos oportunas. Para la definición de los orígenes de las masas de aire se han utilizado herramientas de información geográfica complementadas con imágenes de satélite y resultados de modelos atmosféricos de transporte. Se ha aplicado la metodología adecuada para el estudio de la intrusión de masas de aire procedentes de los desiertos africanos del Sahara-Sahel. De acuerdo con el análisis de las series temporales de especiación química de las dos fracciones de PM obtenidas en los diferentes emplazamientos de estudio, se ha definido la contribución de las fuentes en base al Análisis de Componentes Principales con Regresión Lineal Múltiple (ACPRLM) y Factorización Matricial por Positivación (PMF). Resultados: Se presentan los resultados de la aplicación de las herramientas estadísticas que permitan definir la evolución espacial y temporal de las variables estudiadas, en primer lugar para el método gravimétrico y seguidamente para los métodos de medida en tiempo real, comparando los resultados de ambas metodologías. Se recogen los resultados de la fenomenología de las condiciones sinópticas que propician la intrusión de masas de aire procedentes de África sobre Cartagena desde el 1 de enero de 2004 al 31 de mayo de 2008, análisis de retrotrayectorias, mapas de aerosoles, imágenes de satélite, mapas meteorológicos. Este análisis también se hace extensible a la Región de Murcia. Se aporta la clasificación de los días estudiados en función de los sectores y de los escenarios. Para cada escenario se obtienen los niveles de PM10 en cada estación, la concentración de aquellos días que exceden el valor límite y el número medio anual de días que exceden el umbral normativo. Se presenta la cuantificación de la contribución en masas de los aportes de material particulado de origen africano a los niveles medios diarios y anuales de PM10. Se muestran los resultados obtenidos sobre la especiación química de PM y finalmente se presentan los resultados de la aplicación de los modelos de receptor mediante ACP-RLM y PMF. Discusión y Conclusiones: Se ha identificado una variabilidad espacial y temporal para las especies estudiadas. Los mayores valores para las especies crustales en la fracción PM10 se registran en Santa Ana. Para las especies indicadoras de actividades industriales, los mayores niveles en esta fracción son más elevados en Bastarreche. Para la fracción PM2.5 (sin datos en Bastarreche) los mayores niveles de las especies estudiadas, salvo para la masa total, se encuentran en Mompeán. Los episodios ligados a una menor carga del contaminante PM10 en la Región de Murcia corresponden a los denominados Atlántico Norte, Atlántico Noroeste y Atlántico Oeste, atribuyendo en estas situaciones los incrementos de los niveles de contaminantes atmosféricos a las actividades propias de la zona. El Atlántico Suroeste es un origen habitual de aportes de polvo africano. La contribución de origen natural de carácter local queda recogida dentro de los episodios Regionales, en los que también se aprecia la contribución antropogénica. El típico pantano barométrico mediterráneo, para el que se detecta advección africana que alcanza la Región de Murcia, permite definir un quinto (nuevo) escenario que supone el 21% de los días con intrusión que se estudian en esta memoria y, por tanto, ha de tenerse en cuenta en las evaluaciones de calidad del aire de la zona. Se ha puesto de manifiesto el aporte de las especies crustales desde fuentes alóctonas y la importancia de fuentes autóctonas, tal como el tráfico rodado, para la fracción carbonosa. La contribución de polvo africano a la media anual de PM10 se estima entre 4 y 6 μg/m3. En el periodo entre 1 de enero de 2004 y 31 de mayo de 2005 se han identificado 562 días con intrusión. Se indica la posibilidad de utilizar como estación de fondo regional de referencia para la Región de Murcia, la ubicada en Caravaca de la Cruz. Se aprecia un descenso en los niveles de PM10 en aire ambiente como consecuencia del traslado del punto de muestreo de Bastarreche a Mompeán, punto de muestreo en el que no se observan violaciones en el cumplimiento normativo en lo referente tanto a PM10 y PM2.5, como a los metales sometidos a regulación. Las diferencia encontradas en PM10 entre las medidas en tiempo real de la Red de Vigilancia de la Calidad del Aire de la Región de Murcia y los datos gravimétricos aconsejan un estudio pormenorizado de las causas de esta incidencia. Los factores extraídos por el ACP-RLM, con sus contribuciones en porcentaje a la masa total de PM10 y PM2.5, se asocian a las siguientes fuentes: a) Para PM10 en Bastarreche: Mineral o crustal 25.0%; Tráfico 19.0%; Secundario 17.0%; Fábrica local de producción de zinc electrolítico 3.0%; Marino 3.0% y Astillero 2.0%. b) Para PM10 en Santa Ana: Mineral o crustal 30.0%; Tráfico 26.0%; Secundario 22.0%; Industrial de Cartagena 12.0% y Marino 5.0%. c) PM2.5 en Santa Ana: Tráfico 40.0%; Industrial de Cartagena 27.0%; Mineral o crustal 9.0%; Marino 2.0% y Fábrica local de producción de zinc electrolítico 0.0%. Los factores extraídos por la PMF, con sus contribuciones en porcentaje a la masa total de PM10 y PM2.5, se asocian a las siguientes fuentes: a) Para PM10 en Bastarreche: Tráfico 22.0%; SO4 2- secundario 19.0%; NO3 - secundario 16.1%; Marino 16.0%; Central eléctrica e influencia local 8.2%; Refinería 7.7%; Intrusión y otros crustales 6.4% y Fábrica local de producción de zinc electrolítico 4.5%. b) Para PM10 en Santa Ana: NO3 - secundario 26.0%; Tráfico 16.0%; Intrusión y otros crustales 15.6%; Marino 13.9%; SO4 2- secundario 9.8%; Refinería 8.4%; Central eléctrica e influencia local 8.1% y Fábrica local de producción de zinc electrolítico 2.0%. c) Para PM10 en Mompeán: NO3 - secundario 34.5%; SO4 2- secundario 15.4%; Marino 12.5%; Tráfico 11.1%; Intrusión y otros crustales 11.0%; Refinería 8.1%; Central eléctrica e influencia local 7.4% y Fábrica local de producción de zinc electrolítico 0.0%. d) PM2.5 en Santa Ana: NO3 - secundario 27.2%; SO4 2- secundario 26.5%; Marino 14.6%; Tráfico 7.3%; Influencia de la construcción 7.0%; Refinería 6.2%; Intrusión y otros crustales 5.8% y Fábrica local de producción de zinc electrolítico 5.3%. e) PM2.5 en Mompeán: SO4 2- secundario 26.4%; NO3 - secundario 26.1%; Intrusión y otros crustales 13.1%; Central eléctrica e influencia local 9.5%; Marino 8.1%; Refinería 6.5%; Fábrica local de producción de zinc electrolítico 6.2% y Tráfico 4.0%. Se señala la complementariedad de los dos modelos de receptor aplicados, que han permitido obtener una visión coherente de los aportes al material particulado tanto de origen natural como antropogénico. A medio plazo, los planes de gestión ambiental para el casco urbano de Cartagena, deberán centrar su atención en el tráfico, ya que es previsible que llegue a ser la fuente antropogénica de mayor relevancia.

[ENG] The general search objectives in this thesis are: (a) to interpret the variability of PM10 and PM2.5 levels in the environment and that of their majority, minority and trace components. (b) to identify and to quantify the contributions of the air masses with African origin to PM10 and PM2.5, as well as those whose origin is in other anthropogenic or natural sources of emission.

Samples from both fractions PM10 and PM2.5 have been taken in three different locations of the city of Cartagena: Bastarreche, Santa Ana and Mompeán. The gravimetric determinations of levels of PM10 and PM2.5 in ambient air have been made, as well as those of the chemical speciation of the samples (ICP-MS, ICP-AES, ionic chromatography, and C, OC and EC elemental analysis). The results from the Network for Air Quality Monitoring in the Region of Murcia have been processed by elaborating the appropriate databases. In order to define the origins of the air masses, there has been a use of geographic information tools together with satellite images and results of atmospheric models. There has been a use of the appropriate methodology for studying the intrusion of air masses originating in the African deserts of Sahara-Sahel.

There has been an identification of a time and spatial variability for those species under study. The biggest values for the crustal species in PM 10 have been registered in Santa Ana. In the case of those species indicating industrial activities, their levels in PM10 have been higher in Bastarreche. Concerning PM2.5, there are no data in the case of Bastarreche and the highest levels of the species studied, except for those related to the total mass, have appeared in Mompeán.

The events which are linked to a lower load of PM10 in the Region of Murcia correspond to those called Northern Atlantic, Northwestern Atlantic and Western Atlantic, and in these situations the increase in the levels of atmospheric pollutants is due to the activies which are characteristic in that area. Southwestern Atlantic is a common origin of dust outbreaks. The contribution which has a natural origin and a local character also appears within the Regional events, in which the anthropogenic contribution can also be noticed.

The typical weak Mediterranean gradient of pressure, for which there is an African advection reaching the Region of Murcia, allows for the definition of a fifth (new) scenario, which means up to 21% of the days with dust outbreak which have been studied in this memory, and consequently, they have to be considered in order to assess the air quality in the area. It has been revealed the amount of crustal species from exogenous sources and the importance of indigenous sources, such as wheeled traffic, for the carbonaceous fraction.

The African dust contribution to the PM10 annual mean is considered between 4 and 6μg/m3. In the period between January 1, 2004 and May 31, 2005, there have been 562 days with dust outbreak. It is mentioned the possibility of using as a regional background sampling station for the Region of Murcia, the one located in Caravaca de la Cruz.

A decrease in PM10 levels can be observed as a consequence of changing the sampling station from Bastarreche to Mompeán. The latter is a sampling station without breach of the limits, neither in the cases of PM10 and PM2.5 nor in those ones of metals subject to regulation. The differences found in PM10, between the real-time measurements of the Network for Air Quality Monitoring in the Region of Murcia and the gravimetric data, have made it necessary a detailed study of the causes which have provoked this incidence.