1. Introducción

Las partículas suspendidas son uno de los contaminantes atmosféricos más problemáticos para el ambiente y de repercusión a la salud humana [1], [2]. Los efectos de las partículas a la salud humana, asociados especialmente con partículas de diámetro aerodinámico menor a 2.5 micrómetros (PM2.5), incluyen asma, cáncer de pulmón y enfermedades cardiovasculares [3], [4]. Por ende, las ciudades comúnmente monitorean PM2.5 como parte de sus estrategias de gestión de la calidad del aire [5].

El monitoreo de la contaminación del aire es vital no solo para los ciudadanos, advirtiéndoles sobre los riesgos para la salud de los contaminantes del aire, sino también para los responsables de la formulación de políticas, ayudándolos en la toma de decisiones que protejan la integridad de las personas más vulnerables. Existen varias técnicas para medir la concentración de partículas en el aire como: el método gravimétrico, método de absorción de atenuación beta y método óptico basado en láser [6].

El método gravimétrico basado en filtros es el método más preciso, pero requiere un procesamiento paralelo del blanco y el filtro de muestra realizado en condiciones de laboratorio y, por lo tanto, es difícil de aplicar en el campo [7]. Los analizadores por absorción de radiación beta han pasado por estrictas evaluaciones de campo y han demostrado que pueden proporcionar medidas de concentración equivalente al método gravimétrico, con la ventaja de ser utilizable para un monitoreo continuo de partículas [8]. Finalmente, los sensores ópticos miden el tamaño de las partículas mediante la dispersión de la luz, por lo cual la concentración de partículas se puede determinar de acuerdo con la señal detectada [9], [10].

Las redes de monitoreo de la calidad del aire a menudo consisten en estaciones de medición fijas y equipadas con analizadores de atenuación beta que se mantienen bajo rigurosos regímenes operativos y de calibración para proporcionar datos adecuados [1]. Los altos costos asociados con el establecimiento y mantenimiento de las estaciones significan que no todas las ciudades en los países en desarrollo pueden costear redes de monitoreo de suficiente cobertura espacial [11], [12]. Incluso en las grandes ciudades de los países desarrollados, las redes de monitoreo de la calidad del aire no siempre brindan información con la resolución espacial y temporal requerida para evaluar el impacto de las fuentes de contaminación [13]. Por lo tanto, en los últimos años se han utilizado sensores de bajo costo, como una alternativa para conocer el estado de la calidad del aire.

Los niveles de concentración de los contaminantes atmosféricos se desconocen en la ciudad de Pamplona, por lo tanto, en este trabajo se tuvo la iniciativa de realizar el monitoreo de la calidad del aire por PM_2.5 mediante cuatro sensores ópticos de bajo costo de la marca SENSIRION, en el periodo de julio a septiembre de 2022. Esto con el fin de crear un registro que permita la toma de decisiones o de estrategias para la implementación de una red de monitoreo con equipos certificados (gravimétricos o de atenuación beta), en conjunto con los sensores de bajo costo utilizados en este estudio exploratorio. Además del monitoreo, se realizó un análisis de la distribución temporal de los datos obtenidos por medio de series de tiempo y gráficos de tipificación, comparando las concentraciones obtenidas con los límites diarios normados de calidad del aire en Colombia (resolución 2254/2017). Para finalmente, crear mapas y observar su distribución espacial, utilizando la técnica de interpolación inversa por puntos “IDW”.

2. Metodología

2.1. Área de estudio

La ciudad de Pamplona está ubicada en la zona suroccidental del departamento del Norte de Santander con coordenadas 7.3781° N y -72.6509° E (Figura 1). La ciudad de Pamplona cuenta con una población de 180.667 habitantes, donde la mayoría participa en actividades de comercio y turismo local [14].

Figura 1
Ubicación de la ciudad de Pamplona.
Fuente: elaboración propia.

2.2. Selección y ubicación de sensores de bajo costo

Se seleccionaron cuatro sensores, medidores de partículas PM_2.5 de la marca SENSIRION-SPS30 (Figura 2). La selección se realizó dentro de una gama muy amplia de sensores en el mercado cuyo principio de funcionamiento es la dispersión láser, sin embargo, fueron los años de vida (10 años), la facilidad de calibración, su certificación y los diferentes tamaños de partículas que puede monitorear (10, 4, 2.5, 1 y 0.5 micrómetros) [15], consideraciones clave para su selección.

Figura 2
Sensor SENSIRIOS-SPS30 para partículas.
Fuente: elaboración propia.

Los sensores fueron ubicados estratégicamente en la ciudad de Pamplona (Figura 3), siguiendo las recomendaciones de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) para la instalación de redes de monitoreo de calidad del aire [16], así como, las correspondientes al protocolo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire del Sistema de Vigilancia de la Calidad del Aire (SVCA) de Colombia [17].

Figura 3
Ubicación de los sitios de monitoreo.
Fuente: elaboración propia.

Las consideraciones tomadas de la USEPA fueron:

• Las condiciones físicas de la zona.

• Accesibilidad al sitio de monitoreo.

• Facilidad para la instalación y funcionamiento.

• Disponibilidad de electricidad.

• Acceso a internet.

• Seguridad.

Las consideraciones referentes al SVCA durante el funcionamiento de la red de sensores fueron:

• Observar las tendencias a mediano plazo.

• Determinar el cumplimiento de las normas.

• Adelantar investigaciones científicas.

• Estudiar potenciales fuentes de contaminación.

• Idear estrategias de prevención, minimización y control.

Además, conforme a las recomendaciones y criterios de la USEPA y del SVCA, los sitios de monitoreo se establecieron viento abajo de las potenciales fuentes de emisiones identificadas anteriormente por Monroy y colaboradores en 2021 [18] y sitios de interés para su exploración.

2.2.1. Acceso y validación de los datos

Los registros de las concentraciones de PM2.5 se obtuvieron de manera automática cada hora del 01 de julio al 31 de septiembre del 2022, los cuales fueron almacenados en la nube de CanAirIo “Citizen Reports” (https://canair.io/samples/first_track.html). Una vez resguardados los datos, estos fueron descargados, tratados (75 % de suficiencia) y validados (Ecuación 1), de acuerdo con los lineamientos del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT) de Colombia [19].

Donde, (C_prom) es la concentración promedio del periodo de tiempo j, ∑ ₌₁ es la suma de los n datos de concentración de contaminantes i obtenido en el periodo de tiempo j, y n es la cantidad de datos obtenidos en el periodo de tiempo j.

Seguidamente, se analizaron mediante series de tiempo, gráficos de tipificación y gráficos de cajas y bigotes, para analizar su comportamiento y a su vez comparar las concentraciones diarias con los límites normados por Colombia, en conjunto, con los recomendados por la Organización Mundial de la Salud (OMS).

2.2.2. Distribución espacial de las concentraciones

La información una vez validada, se utilizó para crear mapas de distribución por PM_2.5 en la ciudad de Pamplona. Se utilizó la Ecuación 2 y 3 de interpolación, usando el asistente de técnica Inversa de la Distancia Ponderada (IDW, por sus siglas en inglés), a través de QGIS en su versión 3.24.1 [20]. Los mapas de distribución se realizaron para las concentraciones mínimas y máximas registradas de PM₂._5.

Donde, Z(x₀) es la concentración estimada de PM_2.5 en la posición objetivo x₀ , Z(x_i) son datos de PM_2.5 a nivel de la estación de monitoreo de la muestra x_i . λ_i indica el valor de ponderación, d es la distancia euclidiana entre la ubicación del objetivo y los datos de muestra, mientras que p indica un parámetro de potencia.

3. Resultados

3.1. Análisis de los datos

Para el análisis de datos se tomaron en cuenta los registros de cada hora tomados por el sensor de bajo costo para PM_2.5. En la Tabla 1, se presenta estadística descriptiva de los datos registrados, lo cual permite una idea inicial sobre el comportamiento de las PM_2.5 para el periodo analizado, así como identificar los días válidos para cada sitio de monitoreo.

Tabla 1
Estadística descriptiva de las concentraciones medidas durante el periodo de análisis por PM_2.5

Fuente: elaboración propia.

En la Tabla 1, se observa que las concentraciones promedio diario estuvieron en el rango de 3-5 µg/m³ para todos los sitios, teniendo las máximas concentraciones horarias registradas de 14.62 y 14. 44 µg/m³ en el sitio 1 y sitio 2, respectivamente. Asimismo, se observaron las concentraciones horarias más bajas de 0.41 y 0.42 µg/m³ para el sitio 2 y 3 siguiendo el mismo orden. Por otro lado, el sitio 1 tuvo la mejor cobertura en cuanto a los días validados con un 100 %, seguido del sitio 4 con un 98 %, no obstante, el sitio 2 tuvo la una deficiencia de días validados con un 70 %, atribuyendo esta deficiencia a las fallas registradas en bitácora debido al suministro de energía.

En esta Figura 4 se presenta un análisis de la variabilidad de los datos registrados en el periodo de tiempo evaluado.

Figura 4
Variabilidad de las concentraciones horarias registradas en cada sitio de monitoreo.
Fuente: elaboración propia.

Observando que el sitio de monitoreo 1 y 2 presentan las medias y los valores atípicos más elevados, entre los cuatro sitios de monitoreo. Estos dos sitios se encuentran al norte de la ciudad, donde se ubican varios colegios y universidades, lo cual puede ocasionar que se desarrollen mayores actividades de comercio. El sitio de monitoreo 2 se encuentra cerca de una vía principal, muy concurrida por visitantes y el transporte de productos agrícolas [18].

En cuanto a los sitios de monitoreo 3 y 4 que se encuentra hacia el sur de la ciudad de pamplona presentan una menor influencia de actividades que involucran emisiones de PM_2.5.

3.2. Análisis de calidad del aire por PM2.5

El gráfico de serie de tiempo (Figura 5) para los cuatro sitios de monitoreo muestra el comportamiento de las PM_2.5 en el tiempo, para comparar las concentraciones de PM_2.5 registrada por los sensores con los límites máximos permisibles de exposición en 24 horas de 37 y 15 μg/m³, establecidos por la Resolución Colombiana 2254 en 2017 [21] y de la OMS del año 2021 [22], respectivamente.

Figura 5
Distribución temporal de las concentraciones diarias por PM_2.5.
Fuente: elaboración propia.

En general, las concentraciones registradas por los sensores no superaron los límites recomendados por la autoridad ambiental del país y del organismo mundial de salud. Se observan las fluctuaciones de la concentración de PM_2.5 a lo largo del tiempo, dentro de lo cual se destacan un pico de altas concentraciones respecto a las demás, para los cuatro sitios de monitoreo en los días del 14 y 15 de julio. También, se identificaron aumentos de concentraciones en los días a finales de agosto e inicios de septiembre. Esto podría corresponder a las fechas de celebración del día de la independencia de Colombia (20 de julio) en la cual durante la semana previa se realizan actividades que pueden aumentar el nivel de las partículas en el aire como los fuegos artificiales [23].

Por otra parte, la ciudad de Pamplona cuenta con un número considerable de la población estudiantil provenientes de otras ciudades [14], por lo cual, normalmente regresan a sus ciudades de origen en el periodo de vacaciones hasta iniciar el semestre académico de su universidad. Por lo tanto, los aumentos de concentración a finales de agosto e inicios de septiembre posiblemente se atribuyen a la llegada de los estudiantes a cursar sus estudios, que pueden generar una mayor cantidad de emisiones por la demanda en el transporte público principalmente [18].

El comportamiento de la concentración de las PM_2.5 registradas en los cuatro sitios pareciera ser similar a lo largo del tiempo, no obstante, a través de los gráficos de tipificación (Figura 6) se logró observar que para el sitio 1 y 2 su distribución normal con respecto al promedio diario varía en su mayoría para los días analizados.

Figura 6
Tipificación para el promedio diario de concentración de PM_2.5; a) Sitio 1, b) Sitio 2, c) Sitio 3, d) Sitio 4.
Fuente: elaboración propia.

Sin embargo, para los sitios 3 y 4 se puede observar una similitud muy marcada en su distribución, atribuyéndose este comportamiento inicialmente a su cercanía entre los sitios, en segundo lugar, a la posible influencia de las mismas fuentes de emisión que impactan a los sensores de bajo costo y por último a la meteorología del sitio.

3.3. Comportamiento espacial de las PM2.5

Como parte del análisis espacial del comportamiento de las PM_2.5, se elaboraron mapas de concentraciones máximas y mínimas en la ciudad de Pamplona para el periodo evaluado (Figura 7). En la Figura 7a, se observa que las concentraciones máximas para el periodo de estudio se presentaron mayormente en la zona norte de la ciudad, especialmente en el sitio 2 que se ubica cerca de la Universidad de Pamplona y la vía primaria de automóviles. Mientras que, en la Figura 7b se observaron las concentraciones mínimas en el sitio 2, sin embargo, los sitios 3 y 4 presentaron datos similares por lo que la distribución de las PM_2.5 en gran parte de la ciudad fue similar con una concentración mínima entre 0.59 y 0.76 µg/m³.

Figura 7
Mapa de concentraciones por PM2.5 en la ciudad de Pamplona; a) máximas, b) mínimas.
Fuente: elaboración propia.

La dirección y velocidad del viento son importantes para estudios en calidad del aire [24]. En la Figura 8, se muestran las rosas de viento para el periodo monitoreado, observando para julio vientos provenientes mayormente del componente este (E) y este-noreste (ENE) con una frecuencia del 35 y 32 % en julio; 25 y 32 % en agosto; 18 y 22 % en septiembre, respectivamente.

Figura 8
Rosa de vientos para la ciudad de pamplona de julio a septiembre de 2022.
Fuente: elaboración propia, mediante datos de reanálisis [27].

Las rosas de viento indican que las principales fuentes de emisión de PM_2.5 fueron aquellas provenientes del noreste de la ciudad de pamplona, donde existe una mayor actividad de tráfico vehicular [18] y actividad estudiantil. Ante lo anterior, se respaldan los resultados obtenidos para los sitios de monitoreo, donde el sitio 1 y 2 ubicados al norte de la ciudad obtuvieron los niveles más altos de concentración.

Esto congruente con el estudio realizado por [25], en el cual se instalaron sensores de bajo costo para medir PM_2.5 cerca una escuela en una ciudad no industrializada. En este trabajo los sensores permitieron confirmar los bajos niveles de concentración de partículas finas y la influencia del tráfico vehicular como fuente importante de las emisiones de PM_2.5 en la localidad.

Así mismo, se ha reportado la contribución de los parámetros meteorológicos y el uso de sensores en el análisis de la variación espacial de los contaminantes atmosféricos. En el trabajo de [26], se elaboraron rosas de vientos para analizar las concentraciones de PM_2.5 medidas a partir de sensores, con lo cual encontraron que los sitios de medición se ven afectados por concentraciones más altas cuando los vientos se originan en dirección de fuentes de emisión conocidas.

4. Conclusiones

El uso de los sensores de bajo costo para la calidad del aire permitió obtener un indicativo de las concentraciones de PM_2.5 a los que están expuestos los pobladores de la ciudad de Pamplona. La instalación de los sitios de monitoreo de PM_2.5 ha generado información de acceso abierto sobre las concentraciones, en una base de datos disponible en la web de acceso público, que está en constante crecimiento y permite el seguimiento de la contaminación del aire a lo largo del tiempo.

Se resalta que el modelo de interpolación por puntos IDW utilizado en los mapeos calcula las estimaciones a partir de observaciones de las estaciones de monitoreo, que para este caso son los sensores de bajo costo, y dieron como resultado una representación fluida e indicativa del posible estado de calidad del aire sobre la concentración de PM_2.5.

En general, se encontró que la ciudad de Pamplona no presenta niveles que superen la normatividad colombiana vigente, sin embargo, se apreció un aumento de las concentraciones de PM_2.5 en la zona norte de la ciudad, lo cual se relaciona con la influencia de las actividades de comercio por la concentración de instituciones educativas en el área y del transporte en la vía principal.

Se recomienda seguir con el monitoreo de PM_2.5 por medio de sensores de bajo costo e incluir sensores para la medición PM₁₀ y otros contaminantes atmosféricos regulados en Colombia. Además, realizar un inventario de emisiones completo, para la ciudad de Pamplona y comunidades aledañas. También, Comparar las concentraciones medidas por los sensores, con obtenidas a través de modelos de calidad del aire, y monitorear parámetros meteorológicos para poder identificar las potenciales fuentes de emisión en la ciudad de Pamplona.

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Notas

Notas de autor

^aCorreos electrónicos: carlos.bonilla@unipamplona.edu.co ^balba.sanchez@unipamplona.edu.co ^a Correos electrónicos: maye_rg@comunidad.unam.mx ^bmauro.cortez@comunidad.unam.mx

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