Aerosoles. Curso: Observación y Predicción de la Calidad del Aire Noviembre 2014

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1 Aerosoles Sergio Rodríguez Centro de Investigación Atmosférica de Izaña Curso: Observación y Predicción de la Calidad del Aire Noviembre 2014

2 combustible hidrocarburos H X C Y + O 2 S y metales gases + N 2 CO 2 + H 2 O + CO gases primarios NO x = NO + NO 2 SO 2 compuestos orgánicos volátiles: Benceno Tolueno Xileno procesos atmosféricos HNO 3 O 3. gases secundario aerosoles material particualdo hollín = carbono metales V, Ni, Co, Cd, As EC: carbono elemental MO: materia orgánica HPA primarios SO = 4 NO - 3 MO secundaria MO primaria secundarios

3 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, Fuentes naturales, fuentes antropogénicas, Composición química, Tamaño de partícula, calidad del aire. 1. Origen de las partículas atmosféricas Conceptos básicos. Definiciones (aerosoles, aerosoles atmosféricos, partículas atmosféricas, material particulado). Fuentes naturales, fuentes antropogénicas. Composición química. Tamaño de partícula. Parámetros de evaluación de calidad del aire. 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. 3. Técnicas de medida y redes de observación Propiedades de aerosoles medidas in-situ: concentración, tamaño, composición química, propiedades ópticas y visibilidad (coeficientes de scattering, absorción). Redes de observación: redes de calidad del aire, redes científicas (EMEP, EUSAAR, ESRL, VAG ) Propiedades de aerosoles medidas por técnicas remotas: fotómetros solares, lidar, Redes de observación y satélites: AERONET, EARLINET, CALIPSO. 4. Necesidades presentes y futuras en las redes observaciones de partículas atmosféricas Estudios de contribución de fuentes. Partículas ultrafinas. Black-Carbon. Fenómenos naturales. Concepto de calidad del aire global.

4 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, Fuentes naturales, fuentes antropogénicas, Composición química, Tamaño de partícula, calidad del aire. 1. Origen de las partículas atmosféricas Conceptos básicos. Definiciones (aerosoles, aerosoles atmosféricos, partículas atmosféricas, material particulado). Fuentes naturales, fuentes antropogénicas. Composición química. Tamaño de partícula. Parámetros de evaluación de calidad del aire. 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. 3. Técnicas de medida y redes de observación Propiedades de aerosoles medidas in-situ: concentración, tamaño, composición química, propiedades ópticas y visibilidad (coeficientes de scattering, absorción). Redes de observación: redes de calidad del aire, redes científicas (EMEP, EUSAAR, ESRL, VAG ) Propiedades de aerosoles medidas por técnicas remotas: fotómetros solares, lidar, Redes de observación y satélites: AERONET, EARLINET, CALIPSO. 4. Necesidades presentes y futuras en las redes observaciones de partículas atmosféricas Estudios de contribución de fuentes. Partículas ultrafinas. Black-Carbon. Fenómenos naturales. Concepto de calidad del aire global.

5 Origen de las partículas atmosféricas definiciones, Fuentes naturales, fuentes antropogénicas, Composición química, Tamaño de partícula, calidad del aire. Definición Aerosol Sustancias en estado sólido y/o líquido suspendidas en un gas fases : sólida, líquida y gas ejemplos: spray (l), polvo (s), humo de incendio (s+g), vapor (l+g) Aerosol atmosférico o material particulado atmosférico PM Sustancias en estado sólido y/o líquido suspendidas en la atmósfera fases : ejemplos: sólida, líquida y gas atmósfera (g+l+s), nube (l+g),. Práctica se estudia la fase sólida y en menor medida la líquida

6 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, Fuentes naturales, fuentes antropogénicas, Composición química, Tamaño de partícula, calidad del aire. Tamaño de las partículas del aerosol o PM 1nm 100µm 3nm 50µm < 1nm: Å > 100µm: no permance en suspensión Diámetro del pelo: µm 1nm - 100µm 5 órdenes de magnitud

7 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, Fuentes naturales, fuentes antropogénicas, Composición química, Tamaño de partícula, calidad del aire. Tamaño de las partículas del aerosol o PM 1nm 10 nm 100 nm 1000 nm = 1µm nm = 10µm nm = 100µm 4cm 40cm 40 m Pelota de golf Rueda de un coche 4 m Coche familiar Piscina Olímpica 400 m 4 veces el largo de un campo un campo de fútbol de fútbol 4 Km Pista aterrizaje aeropuerto <10µm, <2.5µm, <1µm, <0.1µm

8 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, fuentes naturales, fuentes antropogénicas, composición química, Tamaño de partícula, calidad del aire. primarias naturales polvo desértico sal marina primarias antropogénicas polvo tráfico, obras,. metales V, Ni, Cd, As, Co, secundarias natuales COVs (g) MO (a) vegetación SO SO = 2 (g) 4 (a) marina volcanes NH NH + 3 (g) 4 (a) descomposición materia orgánica secundarias antropogénicas COVs (g) MO (a) automóviles, refinerias, quema de biomasa SO SO = 2 (g) 4 (a) Combsutión carburantes pesados (fuel oil, carbon mineral, ) Barcos, refinerías, centrales térmicas NH NH + 3 (g) 4 (a) descomposición materia orgánica (vertederos basura Fertilizantes agricultura, industria fertilizantes NO NO - x (g) 3 (a) Combustión (automóviles, industrial, quema biomasa)

9 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, fuentes naturales, fuentes antropogénicas, composición química, Tamaño de partícula, calidad del aire. Origen del PM PM primario: emitido directamente -Materia mineral (Al 2 O 3, SiO 2, CaCO 3, Ti, Sr, Fe 2 O 3 ): natural, resuspensión tráfico, industria cerámica, cementeras, centrales térmicas (cenizas volantes). -Sal marina (NaCl) -Emisiones de combustión (carbono elemental-ce o Black Carbon BC, carbono orgánico-oc o OM) -Compuestos traza: industria (V, Ni), tráfico (Zn, Cu) otras!!!! PM secundario: se forma en el aire previa emisión del precursor gaseoso. -Sulfato (SO 4= ). SO 2 SO H SO = 3 2 SO 4 4 -Nitrato (NO 3- ). NO / NO 2 HNO NO Amonio (NH 4+ ). NH 3 NH 4 + / NH 4 NO 3, HNH 4 SO 4, (NH 4 ) 2 SO 4 -Vapores orgánicos (VO). VO OM

10 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, fuentes naturales, fuentes antropogénicas, composición química, Tamaño de partícula, calidad del aire. Origen del PM Concentraciones típicas Compuestos Inorgánicos Secundarios Material carbonoso Sal marina Materia mineral Compuestos traza PM x : SO 4= : NO - 3 : NH 4+ : OM: BC /EC: Cl: Na: Al 2 O 3 : SiO 2 : Ca:.: V: Ni: Zn: Cd: Cr: Co: µg/m % % 1-5 % 1-60 % ng/m 3 <1-2 %

11 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, fuentes naturales, fuentes antropogénicas, composición química, tamaño de partícula, calidad del aire. mineral, calima sal marina sultafo nitrato materia orgánica hollín carbono negro metales cocktail: Las partículas son una mezcla de numerosos compuestos químicos, naturales y/o antropogénicos, cuyo tamaño varia entre 1 nm y 10 µm

12 gases SO 2, NOx, O 3, CO partícula Dp (nm)

13 nucleación gas fotoquímica emisión automóviles gases SO 2, NOx, O 3, CO partícula Dp (nm)

14 coagulación partícula Dp (nm)

15 condensación gas partícula Dp (nm)

16 polvo sal marina partícula Dp (nm)

17 Tiempo de vida de los aerosoles Las partículas de µm (moda de acumulación) presentan el mayor tiempo de residencia (2 semanas) : Las que más contribuyen al background ultrafinas <0.1 µm acumulación µm gruesas 1-10 µm sumidero: difusión y coagulación lluvía deposición tiempo de vida (1/2): minutos a horas días - semanas horas - días

18 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, fuentes naturales, fuentes antropogénicas, composición química, tamaño de partícula, calidad del aire. Parámetros con los que se evalúa la calidad del aire en la legislación vigente Directiva 2008/50/EU: Real Decreto 102/2011 valores límite para las concentraciones en aire ambiente de diversos contaminantes SO 2, NO x, NO 2, CO, O 3, benceno PM 10, PM 2.5, Pb, As, Cd, Ni, benzopireno, PM 10 : PM 2.5 : concentración en masa de las partículas con tamaño aerodinámico inferior a 10 micras. concentración en masa de las partículas con tamaño aerodinámico inferior a 2.5 micras.

19 Calidad del Aire PM 10 PM 2.5 PM mineral: sal marina: sulfato: nitrato: materia orgánica: black carbon: ultrafinas <0.1 µm acumulación µm gruesas 1-10 µm

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21 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, fuentes naturales, fuentes antropogénicas, composición química, tamaño de partícula, calidad del aire. cuál es el motivo por el que se supera los valores límite PM 10?

22 Origen de las partículas atmosféricas Definiciones, fuentes naturales, fuentes antropogénicas, composición química, tamaño de partícula, calidad del aire. polvo del Sahara contribuye PM 10

23 1. Origen de las partículas atmosféricas Conceptos básicos. Definiciones (aerosoles, aerosoles atmosféricos, partículas atmosféricas, material particulado). Fuentes naturales, fuentes antropogénicas. Composición química. Tamaño de partícula. Parámetros de evaluación de calidad del aire. 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. 3. Técnicas de medida y redes de observación Propiedades de aerosoles medidas in-situ: concentración, tamaño, composición química, propiedades ópticas y visibilidad (coeficientes de scattering, absorción). Redes de observación: redes de calidad del aire, redes científicas (EMEP, EUSAAR, ESRL, VAG ) Propiedades de aerosoles medidas por técnicas remotas: fotómetros solares, lidar, Redes de observación y satélites: AERONET, EARLINET, CALIPSO. 4. Necesidades presentes y futuras en las redes observaciones de partículas atmosféricas Estudios de contribución de fuentes. Partículas ultrafinas. Black-Carbon. Fenómenos naturales. Concepto de calidad del aire global.

24 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. Efectos en la salud La exposición a PM 10 y PM 2.5 en aéreas urbanas está asociada a un aumento en los ingresos hospitalarios por enfermedades respiratorias y cardiovasculares Ministerio Medio Ambiente España 2006: personas/año por la contaminación 3000 accidentes tráfico OMS Julio 2013: la contaminación del aire ambiente mata en el mundo a 3.5 (/7) millones de personas; más muertes que el SIDA y MALARIA.

25 2. Efectos de la contaminación por gases reactivos propiedades, clima, calidad del aire, efectos en la salud, vegetación (agricultura) 3.5 contaminación interiores 3.5 contaminación aire ambiente (exterior) Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer de la OMS: Contaminación atmosférica : sustancia cancerígena de nivel 1 (el más alto en la escala, sustancias sobre las que no cabe duda científica). La contaminación atmosférica causa cáncer de pulmón. Dieta rica en grasas y exposición a PM 2.5 : aterosclerosis

26 Directriz de 2005 de la OMS: Valores límite recomendados Directrivas Europeas de Calidad del Aire NO 2 40 μg/m de media anual 200 μg/m de media en 1h NO 2 40 μg/m de media anual 200 μg/m de media en 1h ( 18 veces/año) 30 μg/m de media anual VEGETACIÓN SO 2 20 μg/m media en 24h 500 μg/m de media en 10 min SO μg/m 3 media en 24h ( 3 veces/año) 350 μg/m 3 media en 1h ( 24 veces/año) 20 μg/m 3 media en 1 año y 1 invierno (Oct-Mar) VEGETACIÓN O μg/m 3 de media en 8h PM μg/m 3 de media anual 25 μg/m 3 de media en 24h O μg/m 3 de max (media movil en 8h) ( 25 veces en 3 años) AOT µg/m 3 h acumulado de Mayo-Julio 5 años VEGETACIÓN PM μg/m 3 de media anual PM μg/m 3 de media anual 50 μg/m 3 de media en 24h PM μg/m 3 de media anual 50 μg/m 3 de media en 24h ( 35 veces/año)

27 2. Efectos de la contaminación por gases reactivos propiedades, clima, calidad del aire, efectos en la salud, vegetación (agricultura) OMS Junio 2013: se observan efectos en la salud en ciudades donde se cumple la legislación vigente AMBIENTES URBANOS La OMS recomienda a la Unión Europea reducir las concentraciones de contaminantes en el aire ambiente 3 Junio 2013

28 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. ambiente urbano Deposición Reacción H 2 SO 4 + CaCO 3 2 HNO 3 + CaCO 3 CaSO 4 + CO 2 + H 2 O Ca(NO 3 ) 2 + CO 2 + H 2 O HNO 3 SO 2 H 2 SO 4

29 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. ecosistemas, agricultura Deposición de contaminantes SO 2, H 2 SO 4, SO 4 = NO x, HNO 3, NO 3 - Acidificación de aguas y suelos Eutrificación partículas: deposición sobre hojas de las plantas -Ecosistemas naturales: bosques -Agricultura:

30 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. Influencia en el clima Influencia balance radiativo: efectos directos

31 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. Influencia en el clima Influencia balance radiativo: efectos directos radiación solar reflexión absorción Forzamiento radiativo Cambio en el balance entre radiación entrante y saliente en la atmosfósfera

32 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. Influencia en el clima Influencia balance radiativo: efectos directos Influencia en las precipitaciones Aire limpio sin partículas no habría nubes Aire contaminado Lluvia

33 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. Influencia en el clima Influencia balance radiativo: efectos directos Influencia en las precipitaciones Influencia balance radiativo: efectos indirectos la presencia de partículas disminuye el tamaño de las gotas de las nubes y aumenta el tiempo de vida de estas

34 1. Efectos en la salud: gastos bajas laborales, ingresos hospitalarios, etc 2. Ecosistemas: pérdidas cosechas, restauración espacios naturales, etc 3. Mobiliario urbano, edificios y monumentos: restauración, patrimonio 4. Clima:.. Impacto en la economía -Según la OMS (1999): En determinados estados europeos, los gastos derivados por estas bajas laborales y hospitalizaciones debidos a la contaminación superaban los 6000 millones de /año durante la década de los 1990s -Ministerio de Medio Ambiente (2006): En España los gastos derivados de los efectos de la contaminación del aire en las personas representan entre 2-4% del PIB.

35 1. Efectos en la salud: gastos bajas laborales, ingresos hospitalarios, etc 2. Ecosistemas: pérdidas cosechas, restauración espacios naturales, etc 3. Mobiliario urbano, edificios y monumentos: restauración, patrimonio 4. Clima:.. Directivas Europeas: Impacto en la economía COMISIÓN EUROPEA reducción de emisiones y concentraciones en aire ambiente del PM y otros contaminantes 1999/30/EC PM10, NOx, SO 2 y Pb en aire ambiente 2000/69/EC benceno y monóxido de carbono en aire ambiente 2002/3/EC ozono en aire ambiente 2004/107/EC As, Cd, Hg, Ni, y PAH en aire ambiente 2008/50/EC PM10, PM2.5, SO2, NOx, CO, O3, C 6 H 6, Pb 1999/13/EC: emisiones de COV durante el uso de disolventes en ciertas instalaciones 1999/32/EC: reducción del contenido de azufre en combustibles 2001/80/EC: limitación de emisiones de contaminantes en grandes plantas de combustión EURO-X: 1 (1992), 2 (1996), 3(2000), 4(2005), 5(2009), 6(2014)

36 1. Origen de las partículas atmosféricas Conceptos básicos. Definiciones (aerosoles, aerosoles atmosféricos, partículas atmosféricas, material particulado). Fuentes naturales, fuentes antropogénicas. Composición química. Tamaño de partícula. Parámetros de evaluación de calidad del aire. 2. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales. 3. Técnicas de medida y redes de observación Propiedades de aerosoles medidas in-situ: concentración, tamaño, composición química, propiedades ópticas y visibilidad (coeficientes de scattering, absorción). Redes de observación: redes de calidad del aire, redes científicas (EMEP, EUSAAR, ESRL, VAG ) Propiedades de aerosoles medidas por técnicas remotas: fotómetros solares, lidar, Redes de observación y satélites: AERONET, EARLINET, CALIPSO. 4. Necesidades presentes y futuras en las redes observaciones de partículas atmosféricas Estudios de contribución de fuentes. Partículas ultrafinas. Black-Carbon. Fenómenos naturales. Concepto de calidad del aire global.