Caracterización y reparto de fuentes de carbono negro y MP2.5 en la zona B de la Región Metropolitana de Santiago de Chile
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2025
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Abstract
En la Región Metropolitana de Santiago de Chile (RM) se conoce poco acerca de la calidad del aire en aquellas comunas que no están sujetas a las medidas del Plan de Descontaminación Atmosférica de la RM (PPDA-RM); esas comunas corresponden a la Zona B de la RM — pequeñas zonas urbanas en comunas rurales — y, pese a que los antecedentes del PPDA-RM indican que en ellas se emite el 75% del material particulado respirable fino (MP2.5) proveniente de combustión residencial de leña en la RM, ellas no están incluidas en la red de monitoreo del Ministerio del Medio Ambiente (a excepción de la comuna de Talagante). Para estas comunas de la zona B, cuya población es cercana al millón de habitantes, tampoco se conoce el reparto de fuentes del material particulado respirable fino (MP2.5). Esta es una brecha de conocimiento de la calidad del aire en la RM. El uso de etalómetros que miden absorción de luz del material particulado a distintas longitudes de onda proporciona un reparto de las concentraciones del carbono negro (BC) proveniente de combustibles fósiles y de quema de leña. En la literatura existente, esta distribución se reporta agregada, es decir, todas las fuentes de BC (locales y regionales) se agrupan en el resultado del análisis del etalómetro. Sin embargo, para fines regulatorios, es deseable contar con estimaciones cuantitativas de ambas contribuciones. Este trabajo propone un análisis espaciotemporal de los resultados del etalómetro de BC, que se basa en combinar el reparto del BC — combustible fósil (eBCff) más quema de leña (eBCwb) — junto con información meteorológica superficial, empleando una metodología de reconocimiento de patrones espaciotemporales (PET). Además, debido a que el BC es uno de los contribuyentes del calentamiento global más significativo después del CO2, es crítico conocer las emisiones de los aerosoles carbonosos en busca de generar medidas de control de dichas emisiones, por lo que también se propone estimar las emisiones de carbono negro equivalente (eBC) y MP2.5 de uso de combustible fósil y leña en tres suburbios de la Región Metropolitana de Santiago: Colina, Melipilla y San José de Maipo (SJM), durante las épocas de invierno (campañas año 2021) y verano (campañas entre noviembre de 2020 y abril del 2022). Esta nueva metodología llamada FUSTA (FUzzy SpatioTemporal Apportionment), encuentra los PET de las concentraciones de eBC que llegan al sitio de monitoreo, los que corresponden a los diferentes conglomerados difusos obtenidos aplicando un algoritmo de agrupamiento difuso. Estos PET son luego identificados empleando gráficos de variaciones temporales y gráficos polares bivariados, los que permiten ubicar la variabilidad espaciotemporal de cada uno de ellos. Cada PET corresponde a una fuente (o grupo de fuentes) de emisión que aportan con concentraciones en el sitio receptor. Aplicamos esta metodología a las mediciones de BC en los tres sitios suburbanos alrededor de Santiago, mostrando los resultados de FUSTA que las fuentes locales contribuyen ~80% a eBCff y eBCwb en todos los sitios, tanto en invierno como en verano. Mediante el uso de diagramas de dispersión de MP2.5 – eBCff y MP2.5 – eBCwb para cada PET, las líneas de borde mínimas asociadas muestran pendientes distintivas de MP2.5/𝑒𝐵𝐶𝑓𝑓 y MP2.5/𝑒𝐵𝐶𝑤𝑏. Estas pendientes son mayores para las fuentes no locales (que incluyen aerosoles procesados atmosféricamente en su ruta al sitio de medición) que para las contribuciones locales (emisiones frescas). Estas razones se usaron para repartir el total de MP2.5 en cada sitio de monitoreo, donde predominaron los aportes de las fuentes de combustibles fósiles, representando estos en invierno el 26 % (15.9 µg m-3 ± 0.3 µg m-3) en Colina, 22 % (9.9 µg m-3 ± 0.4 µg m-3) en Melipilla y el 24% en SJM (7.8 µg m-3 ± 0.3 µg m-3). Durante el verano, se obtuvo una distribución similar, con aportes de combustión de combustibles fósiles en Colina del 34% (15.9 µg m-3 ± 0.3 µg m-3), del 29 % (8.8 µg m-3 ± 0.4 µg m-3) en Melipilla, y del 25% (4.5 µg m-3 ± 0.2 µg m-3) en SJM; representando los aportes de quema de leña alrededor del 20% en ambas campañas. El MP2.5 remanente corresponde a ~ 50% del total y se identifica con aerosoles secundarios, en concordancia con estudios previos que han cuantificado la cantidad de MP2.5 secundario en Santiago. Estos resultados corroboran la gran influencia de las fuentes de transporte junto con las emisiones de combustión residencial a leña, Querosén o gas licuado, las que se incrementan en la época de invierno. En cuanto a la estimación de las emisiones mejoradas, para esto se utilizó el sistema de modelado WRF/CALPUFF, junto con inventarios de emisiones del sector residencial y de transporte disponibles y las estimaciones previas de los aportes locales y no locales a las concentraciones de eBCwb, eBCff, MP2.5-wb, y MP2.5-ff. Estas concentraciones permiten estimar tasas de emisión mejoradas, a partir de las tasas de emisión a priori arriba descritas. En la campaña de invierno, para el BCwb se estimaron tasas de emisión de 74.79 ton año-1 para Colina, 93.28 ton año-1 para Melipilla y 24.27 ton año-1 para SJM, lo que corresponden a 0.5, 0.4, y 0.3 veces del inventario de la USACH, respectivamente. En el caso del BCff, las tasas de emisión estimadas fueron de 2.21 ton mes-1 en Colina, 0.21 ton mes-1 en Melipilla y 0.23 ton mes-1 para SJM, las que respecto al inventario INEMA representan 5.2, 0.7 y 2.8 veces los valores respectivos de cada sitio. Obteniéndose tanto para el BCwb como para el BCff que los máximos concuerdan con las horas del día donde hay mayor nivel de actividad de las fuentes residenciales y de tráfico. Para la campaña de verano, las tasas de emisión de BCwb fueron de 0.44 ton mes-1 para Colina, 0.05 ton mes-1 para Melipilla y 0.01 ton año-1 lo que representa una disminución entre el 80 % al 90 % respecto a las emisiones de invierno. En cuanto al BCff en verano, se obtuvieron tasas de emisión de 2.91 ton mes-1 en Colina, de 0.03 ton mes-1 en Melipilla y de 0.07 ton mes-1 en SJM, disminuyendo aproximadamente entre un 60% a 80% respecto a invierno, a excepción de Colina donde las emisiones se mantienen relativamente constantes. La dispersión desde la Zona B (suburbios en estudio) hacia la Zona A (Gran Santiago) para las tasas de emisión obtenidas del BCff, BCwb y MP2.5 mostraron que los mayores aportes llegan en el mes de Julio 2021 en horas de la madrugada; en tanto que en verano los mayores aportes de BCff y MP2.5-ff a la Zona A llegan principalmente durante los meses de marzoabril, alrededor de las 06:00 y posteriormente después de las 12:00. Posteriormente, los resultados de la modelación de dispersión del MP2.5 de uso de leña, así como del BCwb y BCff desde la Zona A hacia la Zona B, junto con el análisis de retro trayectorias de vientos usando el modelo HYSPLIT, sugieren en ambas campañas que el total de los aportes no locales que llegan a las comunas estudiadas, no solo provienen de Santiago sino también de localidades cercanas y distantes. En ambos casos — al agregar las emisiones de una comuna cercana a Colina, como Lampa en el caso de las emisiones de BCwb y las emisiones de las carreteras cercanas a las comunas de estudio para las emisiones de BCff — las simulaciones predicen concentraciones más cercanas a las observadas que si solo se considera el Gran Santiago como fuente emisora. Los resultados de este estudio demuestran que la nueva metodología desarrollada es útil en la obtención de un reparto de fuentes más detallado, así como en la evaluación del impacto del MP2.5 y del contaminante de vida corta BC a escala urbana; permitiendo obtener resultados que son más consistentes con los antecedentes de la composición química del MP2.5 en el Gran Santiago, estimar emisiones locales e identificar zonas que contribuyen con aportes no locales también.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias de la Ingeniería)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2025
Keywords
Etalómetro, Carbono negro, Conglomerado difuso, FUSTA, Leña, Combustible fósil, CALPUFF, Reparto de fuentes