Evaluación del impacto de las emisiones atmosféricas antropogénicas en Los Andes Centrales

Abstract

Históricamente, la contaminación atmosférica producida por aerosoles de origen antrópico ha recibido mayor atención en las áreas urbanas, debido a que estas suelen presentar los niveles más altos de polución, como así también concentran la mayor parte de la población expuesta a los potenciales daños en la salud que las distintas sustancias pueden producir. Sin embargo, además de efectos globales sobre el clima y la salud, estos aerosoles atmosféricos también pueden causar efectos locales sobre otros ecosistemas con consecuencias igualmente impactantes en la calidad de vida de las personas y otros organismos. Tal es el caso de la criósfera andina, ecosistema principal de la Cordillera de Los Andes, en el cual el agua se encuentra principalmente en estado sólido, ya sea como hielo, nieve o permafrost. Si bien la calidad del aire en este tipo de zonas montañosas nevadas ha sido estudiada con relativa profundidad en otras partes del mundo, este no es el caso de la región de Los Andes, de la cual se tienen escasos antecedentes. En este contexto surge la motivación de este trabajo, teniendo en cuenta la relevancia que los recursos provenientes de esta área significan para la región de Cuyo, un Oasis irrigado generado gracias a la disponibilidad de agua de los ríos locales, cuyo escurrimiento se origina principalmente por fusión nival, con ausencia casi total de aportes de precipitación pluvial. Resulta entonces de gran interés conocer cómo las actividades humanas circundantes, ya sea de las zonas urbanas aledañas o in-situ, impactan en la calidad de aire de la región, pudiendo afectar tanto el clima local como la disponibilidad y calidad del recurso hídrico, y por ende la calidad de vida de los habitantes.En esta tesis se describe la implementación de un método combinado para evaluar el impacto de las emisiones atmosféricas antropogénicas en la calidad del aire de Los Andes Centrales. El método propuesto consiste en la realización inédita de mediciones de compuestos considerados trazadores antropogénicos en nieve y aire de la zona de estudio junto con la utilización complementaria de un modelo de dispersión atmosférico. Las sustancias seleccionadas fueron metales (Cobre, Zinc, Plomo) y compuestos orgánicos persistentes (POPs): bifenilos policlorados (PCBs), éteres bifenilos polibromados (PBDEs), hexaclorobenceno (HCB) y dicloro difenil tricloroetano (DDT). Se realizaron determinaciones analíticas de metales en nieve de dos puntos con diferentes características de la zona de estudio, teniendo en cuenta que la nieve se presenta como una matriz ideal para estudiar la carga de contaminantes en la atmósfera de los ecosistemas circundantes debido a que las partículas atmosféricas son atrapadas en la nieve, ya sea durante su caída o en una posterior deposición, y son diluidas en agua pura en lugar de mezclarse con otros materiales de la tierra, por lo que su composición puede ser inequívocamente medida incluso a concentraciones muy bajas. Por otro lado, la gran superficie específica de los copos de nieve, junto con su baja velocidad de caída hacen posible una mayor captación de contaminantes atmosféricos respecto de la precipitación líquida. Asimismo, la toma de muestras es simple, siendo factible el análisis instrumental con adecuada sensibilidad (de metales por ICP/MS). Para la determinación de concentraciones atmosféricas de compuestos orgánicos persistentes se utilizaron medidores pasivos, mediante el análisis con la técnica instrumental de GC-ECNI/MS. Si bien las determinaciones analíticas realizadas aportan información relevante respecto a la calidad de aire local, por sí solas poseen ciertas limitaciones respecto a la baja resolución tanto espacial como temporal. Por otro lado, existen aspectos relacionados con la representatividad de las mediciones que se deben tener en cuenta para asegurar la validez de los datos obtenidos y las conclusiones desprendidas de éstos. El número de sitios de muestreo y la cantidad de muestras son limitados y la verdadera distribución espacial de las concentraciones en toda el área no se conoce, por lo que para evaluar objetivamente los datos medidos se necesitan estimar las concentraciones en áreas que no han sido muestreadas. En este contexto, el uso de un modelo de dispersión atmosférico basado en un inventario de emisiones se presenta como una opción para obtener un panorama espacial y temporal de mayor cobertura. Este tipo de modelos permiten establecer una relación entre las actividades antrópicas que producen las emisiones, la dinámica atmosférica, las características geográficas y la distribución de los contaminantes en el ambiente. En este caso el modelo seleccionado fue CALPUFF, debido a la capacidad superior del mismo para estimar dispersión en ambientes complejos, como lo es la zona montañosa de Los Andes Centrales. Este modelo está recomendado sobre otros modelos regulatorios para aplicaciones donde el terreno contiene variaciones en el relieve y donde la cobertura del suelo no es uniforme, tal como ocurre en este caso. Su implementación requirió la utilización de un modelo meteorológico, WRF (Weather and Research Forecasting), para inicializar las simulaciones con campos como ?aproximación inicial?. Además, también fue necesaria la elaboración de inventarios de emisiones propios para ambos grupos de contaminantes en toda el área de estudio. El desarrollo metodológico se expone en forma detallada. Esta tarea involucró una investigación profunda y detallada de las actividades y fuentes emisoras de la zona y supone un gran aporte al conocimiento de la calidad del aire local, ya que hasta el momento no se contaba con antecedentes en la región para las sustancias estudiadas en este caso. Además, estos inventarios permitieron evaluar la importancia relativa de las fuentes relevadas, y de la elaboración de los mismos surge una alerta respecto a la importancia que tienen algunas actividades en la región, como la quema abierta de residuos sólidos, que se presentó como la principal fuente emisora de POPs y Pb en el área urbana, mientras que el tráfico y la minería representan el mayor aporte de metales en la zona de la alta montaña. Un aspecto que se manifestó al analizar las salidas del modelo es que la dispersión y deposición de sustancias no solo están influenciadas por las fuentes, sino también por la topografía compleja del área de estudio que define claramente las zonas afectadas. Esto genera un desafío desde el punto de vista del modelado y deja abierta la puerta para seguir investigando en esta línea.Los resultados obtenidos independientemente por ambas metodologías de diagnóstico de la calidad del aire han sido contrastados y tratados estadísticamente con el fin de validar las concentraciones estimadas por el modelo y explicar los niveles medidos. Los gradientes de concentraciones detectados en las mediciones de metales en nieve se observan también en las simulaciones. El análisis estadístico permitió identificar una relación entre la cantidad de metales hallados en la nieve y el volumen de precipitación, lo que evidencia la compleja dependencia de los niveles de contaminantes con los procesos meteorológicos del área. Por otra parte se pudo establecer una diferencia estadísticamente significativa entre distintos puntos del área de estudio, lo que muestra la relevancia de las fuentes locales que se mencionó anteriormente. En cuanto al caso de los POPs, el modelo mostró un buen desempeño general, sobre todo en el área urbana, mostrando gran acuerdo entre los valores simulados y medidos, pero no logró capturar con precisión los niveles atmosféricos presentes en la zona de la cordillera, tendiendo a la subestimación. Se presume que esto puede deberse a la falta de capacidad del modelo para simular las propiedades fisicoquímicas de estas sustancias, como así también a una entrada adicional de estos compuestos provenientes de áreas externas al dominio propuesto debido al transporte de largo alcance. En este sentido, dichas entradas deberían ser adicionadas a las fuentes locales de emisiones primarias.Los resultados obtenidos en esta tesis muestran que la propuesta de combinar técnicas de modelado y mediciones, sería el camino adecuado para predecir el impacto de las emisiones antropogénicas en Los Andes Centrales, y podría ser replicado en otros casos de estudio.

Historically, atmospheric pollution produced by aerosols of anthropic origin has received greater attention in urban areas, because these tend to present the highest levels of pollution, as well as concentrate most of the population to potential exposed to health risk that different substances can produce. However, in addition to global effects on climate and health, these atmospheric aerosols can also cause local effects on other ecosystems with equally important consequences on the quality of life of people and other organisms. Such is the case of the Andean cryosphere, the main ecosystem of the Andes mountain range, in which water is mostly in a solid state, such as ice, snow or permafrost. Although air quality in this type of snowy mountainous areas has been studied with relative depth in other parts of the world, this is not the case of the Andes region, of which there are few antecedents. In this context, the motivation of this work emerges, taking into account the relevance that the resources coming from this area mean for the Cuyo region, an irrigated oasis generated thanks to the availability of water from local rivers, whose runoff originates mainly from a snow melting, with almost total absence of rainfall contributions. It is then of great interest to know how the surrounding human activities, whether in the surrounding urban areas or in-situ, impact on the air quality of the region, which may affect both the local climate and the availability and quality of the water resource, and therefore the quality of life of the inhabitants. This thesis describes the implementation of a combined method to evaluate the impact of anthropogenic atmospheric emissions on the air quality of the Central Andes. The proposed method consists in the measurements of compounds considered anthropogenic tracers in snow and air on the study area, together with the complementary use of an atmospheric dispersion model. The selected substances were metals (Copper, Zinc, Lead) and persistent organic pollutants (POPs): polychlorinated biphenyls (PCBs), polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), hexachlorobenzene (HCB) and dichloro diphenyl trichloroethane (DDT).