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Revista chilena de enfermedades respiratorias

versión On-line ISSN 0717-7348

Rev. chil. enferm. respir. vol.29 no.2 Santiago abr. 2013

http://dx.doi.org/10.4067/S0717-73482013000200004 

 

TRABAJO ORIGINAL

 

Concentración de contaminantes SO2, NO2 y correlación con H+, SO4-2 y NO3- durante la temporada de lluvias en la Zona Metropolitana de Guadalajara, Jalisco, México

Concentration of pollutants SO2, NO2 and correlation with H+, SO4-2 and NO3- during wet season in the Metropolitan Zone of Guadalajara, Jalisco, Mexico

 

Mario García G.*, Hermes Ramírez S.*, Héctor Ulloa G.*, Omar García G.*, Ángel Meulenert P.* y Jaime Alcalá G.*

* Universidad de Guadalajara. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías. División de Ciencias Básicas. Departamento de Física. Instituto de Astronomía y Meteorología. Guadalajara, Jalisco, México.

Correspondencia a:


In the last 30 years, the Metropolitan Zone of Guadalajara (ZMG) has experienced a quick urban and industrial growth, situation which results in high rates of pollution and poor air quality harmful to the health of the population. The main purpose of this work was to analyze the SO2 and NO2 in the air, as well as ions H+, SO 4-2 and NO3- during the wet season of 2005. Results of the network of monitoring stations showed significant acidity in north-northwest and southeast of the study area. The maximum concentrations of SO 4-2 occurred in southeast and south, while the maximum NO3- was found in the south. Maximum levels of SO2 and NO2 occurred in the dry season, but it decreased in wet season. The higher frequency about acidity produced by NO2 is caused by mobile sources as the primary indicator.

Key words: Atmospheric contaminants, rain acidity, public health.


Resumen

En los últimos 30 años, la Zona Metropolitana de Guadalajara (ZMG) ha experimentado un acelerado crecimiento urbano-industrial, realidad traducida en contaminantes nocivos para la salud de la población. El objetivo de este trabajo fue analizar la concentración de dióxido de azufre (SO 2) y de nitrógeno (NO2) en el aire, así como, los iones hidrógeno (H+), sulfatos (SO 4-2) y nitratos (NO3-) durante la temporada de lluvias del año 2005. Mediante una red de estaciones de monitoreo, se obtuvieron resultados que revelaron acidez significativa al norte-noroeste y sureste. Las concentraciones máximas de SO4-2 ocurrieron al sureste y sur, mientras que, las de NO3- se localizaron al sur. Los niveles máximos de SO2 y NO2 sucedieron en el período seco, disminuyendo en el húmedo. Se observó mayor frecuencia de acidez por NO2 siendo el indicador principal las fuentes móviles.

Palabras clave: Contaminantes atmosféricos, acidez de lluvia, salud pública.


 

Introducción

La contaminación atmosférica (CA) es un problema de deterioro ambiental que el ser humano padece actualmente y se enfrenta ante la disyuntiva de cómo detenerlo. La explotación excesiva de los recursos naturales, los cambios de uso de suelo, las concentraciones urbano-industriales y la gran cantidad de contaminantes emitidos a la atmósfera, dañan el medio ambiente en un proceso que parece ser irreversible. Estos efectos no sólo perjudican a los seres vivos, sino también, generan fenómenos que afectan al ecosistema; tal es el caso de las lluvias ácidas. Este tipo de lluvias contienen contaminantes que pueden trasladarse cientos o miles de kilómetros por los vientos (transporte de largo alcance de contaminantes aéreos) y causar daños en ciudades alejadas de la fuente de emisión1-3. Estudios en Europa y Norteamérica reportan que el dióxido de azufre (SO2 ) y los óxidos de nitrógeno (NOx) son los contaminantes precursores de las lluvias ácidas debido a la interacción con la radiación solar y la humedad atmosférica, creando especies de SO4-2 y NO3- (ácido sulfúrico: H2SO4 y nítrico: HNO3 diluidos). Su frecuencia en las ciudades afecta a la salud humana, al ecosistema y a los materiales4,5.

En México, la CA ha deteriorado la calidad del aire en diversas ciudades, entre ellas, la Zona Metropolitana del Valle de México, la Zona Metropolitana de Guadalajara (ZMG) y la Zona Metropolitana de Monterrey. Es oportuno señalar que también existe un problema de percepción en la sociedad que no siempre advierten la gravedad del problema al no existir una clara conciencia sobre las emisiones de contaminantes, sus concentraciones y los daños a la salud, a la infraestructura urbana y a los ecosistemas. Los factores meteorológicos y geográficos constituyen elementos que agravan la CA6,7.

Los efectos en la salud por la exposición al SO2 son afecciones respiratorias (como asma) y debilitamiento de las defensas pulmonares, agravamiento de enfermedades respiratorias y cardiovasculares ya existentes y muerte. Los niños y ancianos son los más afectados3,8 . Los óxidos de azufre (SOx) al hidratarse con la humedad de las mucosas conjuntiva y respiratoria forman ácidos agresivos que generan irritación e inflamación aguda y crónica. Suelen absorberse en las partículas suspendidas generando mayor riesgo por su acción sinérgica. La magnitud de respuesta de un individuo asmático es típicamente la broncoconstricción. Aunque ésta es inducida por cualquier concentración de SO2, la realización de una actividad a exposición > 0,4-0,5 ppm implica un riesgo importante para su salud. Los SOx penetran vía pulmonar convirtiéndose en un agente irritante del tracto respiratorio inferior cuando se absorben en las partículas que se inhalan o al disolverse en las gotas de agua que penetran por la misma vía. Los aerosoles de SO4-2 son agentes irritantes tres a cuatro veces más potentes que el SO2. Estas partículas penetran y se depositan en los pulmones, y si el SO2 no está como SO4-2, el ambiente húmedo de los pulmones los oxida. Se ha demostrado que los SO4-2 a concentraciones de 8-10 μg/m3 afectan a individuos asmáticos, adultos mayores y personas susceptibles con problemas respiratorios crónicos9.

Por su parte, el óxido nítrico (NO) es un gas altamente reactivo que al igual que el dióxido de nitrógeno (NO2), es esencial en la formación de ozono (O3) troposférico. El NO2 irrita los pulmones, causa bronquitis y neumonía, además de reducir la resistencia a las infecciones respiratorias8. Hasselbland y cols10, comunicaron un aumento de enfermedades respiratorias asociado con exposición a concentraciones altas de NO2. Una diferencia de 28,5 μg/m3 resultó en un aumento del 20% de probabilidad de presentar una enfermedad respiratoria. Saldiva y cols11, comunicaron que a concentraciones de 0,127 ppm el riesgo de mortalidad por causa respiratoria es del 30%. Un estudio de Lommis y cols12 en México, reportaron que la mortalidad infantil tiene asociación significativa con varios contaminantes, incluyendo los NOx. Los trabajos de Gouveia & Fletcher13, Ilabaca y cols14 y Tellez y cols15 reportaron asociación entre niveles de NO2 y visitas de emergencia por causas respiratorias.

Respecto a los efectos de la lluvia ácida en lagos y ríos, ocurre gran acidez que disminuye la población de peces; además, cuando el ser humano consume peces de aguas acidificadas padecerá daños en su salud3.

Caso de estudio: Zona Metropolitana de Guadalajara (ZMG)

En la zona tropical del planeta poco se ha estudiado la relación de los contaminantes SO2 y NO2 en el aire con los iones H+, SO4-2 y NO3- en las lluvias. La ZMG se localiza geográficamente en esta zona, a una altitud promedio de unos 1.540 msnm. A nivel nacional, es la segunda metrópoli en población, extensión urbana e importancia socioeconómica (Figura 1). En los últimos 30 años, ha experimentado un acelerado crecimiento urbano e industrial con elevadas emisiones de CA, generando índices de calidad del aire y acidez de la lluvia nocivos para la salud humana; esta situación ha propiciado la implementación de fases de contingencias ambientales. Su población es de 4.434.252 habitantes y su parque vehicular de más de 2 millones16. Las fuentes principales de contaminantes son el transporte (92,5%), fuentes de área (4,5%), fuentes fijas (2,5%) y fuentes naturales (0,5%)17. Su orografía compleja la definen cadenas montañosas que limitan un valle semi-cerrado, formando un obstáculo con condiciones atmosféricas estables (baja circulación del viento y lenta dispersión de contaminantes)18.

El objetivo de este trabajo es analizar la concentración de los contaminantes SO2 y NO2 en aire y su relación con los SO4-2, NO3- y pH en la temporada de lluvias del año 2005. Es oportuno señalar que, aunque el objetivo de este trabajo está enmarcado en la temporada de lluvias del año 2005, es necesario considerar el comportamiento de los contaminantes precursores de la acidez de las lluvias durante los períodos previos y posteriores al fenómeno con la finalidad de obtener un análisis integral.

Condiciones meteorológicas dominantes en la ZMG

En los trópicos, el año se divide en dos periodos: lluvioso (verano) y poco lluvioso o seco (invierno). En el primero, como promedio ocurre el 90 % del acumulado pluvial anual enmarcando los meses de junio a septiembre; el resto del año cae dentro del período poco lluvioso o seco. Por su ubicación al centro occidente de México, la ZMG está sujeta a la influencia de masas de aire frío y seco de origen continental y polar marítimas en el invierno asociadas a anticiclones. Estos sistemas causan gran estabilidad atmosférica impidiendo movimientos ascendentes del aire y la formación de nubes. Además, por su latitud (20° norte) recibe abundante radiación solar, siendo su atmósfera altamente fotoreactiva. Estas condiciones de estabilidad son óptimas para la presencia de inversiones térmicas en esta época del año, que sumadas a la orografía de la zona, propician elevada contaminación del aire y nociva para la población. Por su parte, en el período lluvioso (verano) la ZMG es afectada por la entrada de aire cálido y húmedo del océano Pacífico, golfo de México y mar Caribe, causando altas temperaturas, favoreciendo el movimiento vertical ascendente del aire y disminuyendo la frecuencia de inversiones térmicas. La influencia del golfo de México y mar Caribe se manifiesta en un aumento de humedad, debido al avance de ondas tropicales que ocasionan importantes cantidades de lluvia y vientos de componente oriental. En el caso del océano Pacífico, predominan los vientos del sur cargados de humedad ocasionando también cielos nublados y precipitaciones. Asimismo, el desarrollo de sistemas tropicales en el océano Pacífico oriental (perturbaciones, depresiones, tormentas tropicales, y huracanes), llegan a provocar la entrada de bandas nubosas y altas cantidades de precipitación; sumado a ello, hay una intensificación de los vientos, los cuales llegan a la ZMG ligeramente degradados18.

Método

Para evaluar los contaminantes SO2 y NO2 en el aire se utilizó la información de la Red Automática de Monitoreo Atmosférico de la Secretaría del Medio Ambiente y Desarrollo Sustentable (RAMA-SEMADES) del estado de Jalisco. Esta red opera ocho estaciones distribuidas en la ZMG (Figura 2). La información fue analizada considerando su variabilidad antes, durante y después de la temporada de lluvias del año 2005. Asimismo, el monitoreo de las lluvias se realizó mediante una red pluviométrica (RP) con 17 estaciones (Figura 2). En este caso, el muestreo se efectuó durante la temporada de lluvias (junio a septiembre) con pluviómetros estandarizados por la World Meteorological Organization (WMO)19. Se aplicó el método potenciométrico para medir el pH y las técnicas de la norma ISO 10304-1-1992 (Water quality-Determination of nitrate and sulfate ions, using liquid chromatography) para evaluar SO4-2 y NO3- (WMO)19. De acuerdo al número de eventos lluviosos registrados en la RP (no siempre todos los pluviómetros registraron lluvia el mismo día) se analizaron 636 muestras de agua de lluvia.

Figura 2. Ubicación geográfica de las estaciones de monitoreo en la Zona Metropolitana de Guadalajara. (elaboración propia)

Se creó un ambiente de trabajo con el programa Surfer® 6.01, anexando la ubicación de las estaciones y las concentraciones de contaminantes en el aire y en la lluvia. Mediante el método Kriging se realizaron interpolaciones gráficas del pH, SO4-2 y NO3- en el periodo húmedo y se analizaron los contaminantes NO2 y SO2 en el aire, antes (febrero-mayo), durante (junio-septiembre) y después del período lluvioso (octubre-enero). Se obtuvo el comportamiento espacio-temporal, tendencia de los índices evaluados y correlación lineal por estación de monitoreo.

Resultados del análisis de lluvias en el año 2005

Una lluvia ácida se define cuando su pH es menor de 5,6 (Seinfeld5). El período de lluvias 2005 presentó una tendencia ácida al norte-noroeste y sureste de la ZMG con variación de 5,33 a 5,90 unidades de pH (Figura 3).La concentración promedio de SO4-2 en la atmósfera limpia es 0,002 mg/L y 0,0002 ppm para SO2; asimismo, para el NO2 es 0,001 ppm4. Las concentraciones máximas de SO4-2 (4,9199 mg/L) ocurrieron al sureste y sur, mientras que las mínimas aparecieron al norte con 2,4005 mg/L (Figura 4). En cuanto a los NO3-, el sur mostró los valores más elevados (5,2023 mg/L) (Figura 5); al centro y noroeste se presentaron los mínimos (3,7496 mg/L).

Figura 3. Distribución del pH durante la temporada de lluvias (Elaboración propia).

Figura 4. Distribución de SO4-2 durante la temporada de lluvias (Elaboración propia).

Figura 5. Distribución de NO3- durante la temporada de lluvias (Elaboración propia).

Resultados del análisis de aire en el 2005

Las concentraciones máximas de SO2 en la atmósfera ocurrieron antes y después de la temporada de lluvias, presentando picos de 0,210 ppm en días aislados (Figura 6).

En cuanto al NO2 el comportamiento fue similar al del SO2, con máximas antes y después del temporal con picos de hasta 0,310 ppm (Figura 7).

En la correlación SO2 (aire)-SO4-2 (lluvia) se consideró la estación MIN por contener la mayor cantidad de datos, obteniéndose una correlación significativa de 0,89. Por su parte, en el caso NO2 (aire)-NO3- (lluvia) se utilizó la misma estación, alcanzando una correlación de 0,92.

Discusión y conclusiones

Con los resultados obtenidos, se observa que la tendencia ácida se debe a la contaminación atmosférica en la ZMG que modifica la composición natural de la lluvia. Las condiciones meteorológicas son variables de un temporal a otro, lo cual justifica los valores diferentes de pH entre los temporales, así como los lugares donde ocurren las máximas concentraciones de acidez. En el temporal de estudio 2005 se observó disminución en tendencia y frecuencia aunque sus valores extremos siguieron siendo significativos (pH 3,9). De igual forma, las concentraciones máximas de SO4-2 presentaron disminuciones importantes en relación a los años anteriores. Por su parte, las concentraciones máximas de NO3- mostraron un comportamiento similar a los iones H+ y SO4-2, con tendencia ligera a la disminución (Tabla 1).

Los máximos de acidez del temporal 2005 en la ZMG son similares a los reportados en estudios realizados en Londres5 y China22 ; los SO4-2 son análogos a los de Atenas, Montreal y Londres, mientras que los NO3- se aproximan a los de Londres. Los valores en la Ciudad de México23,24 son del mismo orden que los de la ZMG (Tabla 2).

En cuanto a los contaminantes en el aire, antes del temporal (febrero-mayo) se reportaron concentraciones promedio de SO2 entre 0,0005 y 0,0198 ppm, durante el temporal (junio-septiembre) 0,0003-0,0204 ppm y después del temporal (octubre-enero) 0,0003-0,0220 ppm (Figura 6). La calidad de aire es satisfactoria según la NOM y EPA, no así para la OMS (Tabla 3). Tanto los valores promedio como los máximos variaron por encima de la norma de la OMS durante todo el año. En conclusión, este contaminante representa una situación grave para la salud de la sociedad de la ZMG. En relación al NO2, el comportamiento fue similar al obtenido con el SO2 en los tres períodos (0,0015-0,0475; 0,0010-0,0400 y 0,0015-0,0525 ppm). Las concentraciones máximas superaron la norma de la OMS en gran parte del año (Figura 7), situación preocupante para la salud de la población sobre todo en el período posterior a las lluvias (meses más fríos de octubre a enero); esto coincide con los estudios de Ramírez y cols25.

La presente investigación confirma los resultados de Seinfeld5 en relación a que la permanencia del NO2 es más frecuente en áreas extensas, mientras que la del SO2 lo es en sitios cercanos a las fuentes de emisión.

En proporción a las emisiones contaminantes en la ZMG y los resultados del presente estudio, el NO2 es el componente principal de la acidez de la lluvia, mientras que, el SO2 influye en menor magnitud. Los estudios de Wayne26 reportaron que la cinética de oxidación en la atmósfera de SO2 a H2SO4 varía de 1 a 10%/h, mientras que de NOx a HNO3 oscila entre 1 y 50%/h. Con fundamento en ello y en el porcentaje de emisiones totales a la atmósfera (92,5% por el transporte) se concluye que el NO3- es el ion más significativo. Este trabajo identifica a la ZMG con problemas de contaminación atmosférica de magnitud similar a otras megaciudades, independientemente de que las características físico-geográficas, económicas y de nivel de desarrollo sean diferentes.

Agradecimientos

Los autores agradecen a las personas que apoyaron en el monitoreo, recolección y traslado de muestras al laboratorio para su análisis.

 

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Correspondencia a: Mario García G. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías. Universidad de Guadalajara. Avenida Vallarta 2602. Colonia Arcos Vallarta. C.P. 44130. Guadalajara, Jalisco, México. E-mail: megarcia@astro.iam.udg.mx

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