Chapter 2 Impacto de las emisiones antropogénicas en la calidad del aire y clima

La contaminacion es una amenaza a la salud global que causo 9 millones de muertes en 2015, 16% de las muertes (Landrigan et al. 2018). Ademas, existe consenso cientifico de la existencia y relacion con la actividad humana sobre el cambio climatico (Cook et al. 2016). Tanto la contaminacion atmosferica como los gases de efecto invernadero, conocidos tambien como forzantes climaticos de vida corta y larga son causados por compuestos quimicos liberados en la atmosfera, las llamadas emisiones. Por lo tanto, es importante realziar y entender la caracterizacion espacial y temporal de las emisiones, asi como sus efectos en la salud y en el clima.

Algunos efectos de la contaminacion atmosferica en la salud

• incrementa la morbilidad, natalidad
• aumenta la tasa de nacimientos con problemas (menos peso, inteligencia)
• incrementa riesgo de cancer
• etc et etc

La atmosfera es una delgada capa sobre la tierra, 50% de su masa esta 5.6 km esta compuestos por varios gases (Brasseur and Jacob 2017), cuya composicion es:

Gas	Razon molar \(mol \cdot mol^{-1}\)	Principal fuente y comentarios (Brasseur et al. 1999)
Nitrogeno (\(N_2\))	0.78	Biologica
Oxigeno (\(O_2\))	0.21	Biologica
Argon (\(A_r\))	0.0093	Inerte
Dioxido de carbono (\(CO_2\))	\(400 \cdot10^{-6}\)	Combustion, oceano, biosfera
Neon (\(N_e\))	\(18 \cdot10^{-6}\)	Inerte
Ozono (\(O_3\))	\(0.01-10 \cdot10^{-6}\)	Fotoquimico
Helio (\(H_e\))	\(5.2 \cdot10^{-6}\)	Inerte
Metano (\(CH_4\))	\(1.8 \cdot10^{-6}\)	Biogenico y antropogenico
Hidrogeno (\(H_2\))	\(500 \cdot10^{-9}\)	Biogenico, antropogenico y fotoquimico
Oxido nitroso (\(N_2O\))	\(330 \cdot10^{-9}\)	Biogenico y antropogenico

2.1 Contaminacion atmosferica - Introduccion

“La contaminación del aire es un determinante importante de la salud. La OMS estima que en 2012 alrededor de 1 de cada 8 muertes se atribuyeron a la exposición a la contaminación del aire, lo que lo convierte en el mayor factor de riesgo ambiental para la mala salud.”(OMS 2019)

La ciencia de la contaminacion atmosferica, si bien reciente, ha sido desarrollada debido a los avances de en la comprension de la meteorologia. Problemas relacionados con la contaminacion atmosferica han sido descritos en obras literarias y cartas a lo largo de la historia. Por ejemplo, se cree que el primer caso reportado sobre los efectos de la contaminacion atmosférica en la salud es sobre Gaius Plinius Secundus, Geografo, (AD 23-AD 79), quien habria fallecido los efectos de la emisiones del volcan Vesuvius (Pulles and Helsinga 2010; Wikipedia contributors 2019d). La erupcion del volcan Vesuvius duro 19 horas, con altura de lacolumna entre 14 y 32 km y deposicion de material piroplastico de hasta 2500 \(kg \cdot m^{-2}\) (Macedonio, Pareschi, and Santacroce 1988).

Figure 2.1: An eruption of Vesuvius seen from Portici, by Joseph Wright (ca. 1774-6), Dominio Publico

Sin embargo han sido los grandes episodios de contaminacion los que han gatillado su estudio y gestion por parte de los tomadores de decisiones. Entre ellos se pueden mencionar el desastre de Londres 1952 y la acidifacion de los lagos escandinavos.

2.1.1 El desastre de Londres 1952

Altas concentraciones de contaminantes fueron ocurrieron entre el 5 y 9 de Diciembre de 1952 en Londres, Inglaterra. Para comparacion, vea el monumento “Columna de Nelson” en condiciones normales(Wikipedia contributors 2019e), y el dia de la llamada “Gran Niebla de Londres”(Wikipedia contributors 2019b)

Figure 2.2: Columna de Nelson, Dominio Publico

Figure 2.3: Columna de Nelson durante la Gran Niebla de 1952, Dominio Publico

2.1.1.1 Consecuencias

A pesar que durante la fecha, las autoridades no consideraron el efecto de la contaminacion, este evento si causoo gran impacto en la comunidad (Wikipedia contributors 2019c). Estudios posteriores cuantificaron un impacto en 12.000 muertos asociados a este episodio de contaminacion (Bell and Davis 2001).

Figure 2.4: Mortalidad semanal y concentraciones de SO2 en Lobres 1952 (Bell and Davis, 2001)

Figure 2.5: Mortalidad semanal y concentraciones de SO2 en Lobres 1952 (Bell and Davis, 2001)

comentarios?

2.1.1.2 CLRTAP

## Tarea / Tema de casa / Homework:

## [1] "Investique que es, causas, consequencias y poltiica ambiental asociada a CLRTAP"

2.2 Contaminantes atmosfericos

Las emisiones liberadas a la atmosfera impactan la salud, meteorologia y clima en diferentes escalas como se ve en la sigueinte figura.

Figure 2.6: Esquema de impacto de emisiones (Ibarra, 2017)

Por lo tanto para entender las emisiones necesitamos respnder las siguientes preguntas:

• Que?
• Como?
• Cuando?
• Donde?

Los contaminantes atmosfericos suelen ser clasificados como:

• Primarios: emitidos directamente en la atmosfera. Ejemplo: CO.
• Secundarios: formados en la atmosfera. Ejemplo: \(O_3\).

Existen muchos contaminantes atmosfericos de interes cientifico como

• Ozono \(O_3\)
• Monoxido de Carbono \(CO\)
• Radicales de Oxidos de nitrogeno \(NO_X \equiv NO + NO_2\)
• Compuestos organicos volatiles \(COV\)
• Radicales de Halogeno
• Especies de azufre \(SO_2\), \(SO4\), \(H_2SO_4\)
• Aersoles

Cada contaminante tiene un extenso cuerpo teorico. En esta parte del curso nos referiremos brevemente al \(O_3\), aerosoles y especies de azufre, sin embargo, el estudiante puede revisar la bibliografia para se aprofundar.

2.2.1 Ozono \(O_3\)

Respecto del ozono es necesario mencionar que existen dos tipos, el estratosferico (bueno) y y el troposferico (malo), como es expicado por Brasseur and Jacob (2017).

El ciclo deo ozono troposferico comienza con la fotolisis de lamolecula de ox[igeno devido a radiacion solar de longitud de onda minimo 242 nm. Posteriormente, un atomo de oxigeno se combina con otra molecula de oxigeno para formar ozono. La molecula M (cuerpo inerte, como \(N_2\) o \(O_2\)) estabiliza la molecula de \(O_3\) recien formada.

\[\begin{equation} O_2 + hv(\lambda < 242 nm) \rightarrow O + O \tag{2.1} \end{equation}\]

\[\begin{equation} O + O_2 + M \rightarrow O_3 + M \tag{2.2} \end{equation}\]

El Ozono luego es fotolizado a un atomo de oxigeno y una molecula de oxigeno ante radiacion menor a 1180 nm, liberando energia cinetica (Wikipedia contributors 2019f).

En el caso del ozono troposfeico, la reaccion comienza quando el radical hidroxilo \(\cdot OH\) oxida el \(CO\) generando el radical \(\cdot HOCO\) que es inestable y reacciona rapidamente con \(O_2\) generando el peroxi radical \(\cdot HO_2\) y \(CO_2\). El peroxi radical reacciona oxida \(NO\) generando \(NO_2\) y un radical hidroxilo. Luego el \(NO_2\) es fotolizado liberando un atomo de oxigeno que reacciona con la molecula de \(O_2\) generando \(O_3\).

\[\begin{equation} O_3 + hv(\lambda < 1180 nm) \rightarrow O + O_2 + energia cinetica \tag{2.3} \end{equation}\]

En el caso del ozono troposferico, los ingredientes principales son radiacion solar, \(NO_x\) y compuestos organicos volatiles (Wikipedia contributors 2019g).

\[\begin{equation} \cdot OH + CO \rightarrow \cdot HOCO \tag{2.4} \end{equation}\]

\[\begin{equation} \cdot HOCO + O_2 \rightarrow HO_2\cdot + CO_2 \tag{2.5} \end{equation}\]

\[\begin{equation} HO_2\cdot + NO \rightarrow \cdot OH + NO_2 \tag{2.6} \end{equation}\]

\[\begin{equation} NO_2 + hv(\lambda < 400nm) \rightarrow NO + O \tag{2.7} \end{equation}\]

\[\begin{equation} O + O_2 \rightarrow O_3 \tag{2.8} \end{equation}\]

Los mecanismos mostrados son un resumen de complejas reacciones en la atmosfera donde muchas otras reacciones y compuestos juegan un rol.

2.2.2 Especies de azufre

El es un compuesto que reacciona generando importantes contaminantes como sulfatos y acido sulfurico, importantesen la lluvia aida (deposicion acida). Los combustibles tienen azufre y durante la combustion, el azufre es oxidado generando \(SO_2\), diesel tiene mayor cantidad de azufre que gasolina, por lo tanto generando mas \(SO_2\). Tambien existe el dimetilsulfido (DMS) \((CH3)_2S\), que es biogenico, asi como el carbonilo sulfido (COS), que largo tiempo de vida que permite su transporte a la estratosfera. A continuacion una resumen de los mecanismos de generacion de acido sulfurico (Brasseur and Jacob 2017). \(SO_2\) es oxiado por \(OH\)

\[\begin{equation} SO_2 + OH + M \rightarrow HSO_3 + M \tag{2.9} \end{equation}\]

\[\begin{equation} HSO_3 + O_2 \rightarrow SO_3 + HO_2 \tag{2.10} \end{equation}\]

\[\begin{equation} SO_3 + H2O + M \rightarrow H_2SO_4 + M \tag{2.11} \end{equation}\]

2.2.3 Aerosoles

Son particulas suspendidas desde ~0.001 \(\mu m\) hasta 100 \(\mu m\) (luster molecular a gota). Conocido como material particulado (MP), sus caracerizacion es realizada mayormente en base a su diametro aerodinamico como se muestra en la sigueinte figura (Wikipedia contributors 2019a)(Brasseur and Jacob 2017). Existen tres agrupaciones que son:

1. Modo Aiken: nucleos de condensacion nuevos (fresh) que condensan (gas) o coagulan (liquidos). Diametro hasta 100 nm.
2. Modo acumulacion: Diametro entre 100 y 1000 nm.
3. Modo coarse: Diametro mayor que 1000 nm.

Figure 2.7: Distribucion normalizada (suma es 1000) de aerosoles por diametro aerodinamico, Dominio Publico

Los aersolos son claisficados por numeros, area de superficie y volumen. Normalmente las agencias de medio ambiente miden \(MP_{10}\) (diametro menos <= que 10 \(\mu m\)) y \(MP_{2.5}\) (diametro menos <= que 2.5 \(\mu m\)) en \(\mu g \cdot m^{-3}\). A continuacion una figura mostrando material particulado en Chile, Brazil y China.

Chile *

Figure 2.8: MP2.5 ug/m3 em Lautaro, Chile (https://sinca.mma.gob.cl/index.php/estacion/index/key/870)

China

Figure 2.9: MP2.5 ug/m3 em Hotan, China (http://pm25.in/hetiandiqu)

ingrese aqui: https://aqicn.org/forecast/beijing/

Osasco, Brasil

Figure 2.10: MP2.5 ug/m3 Osasco, Brasil (https://qualar.cetesb.sp.gov.br)

NASA WORLDVIEW es un excelente recurso para monitorear aerosoles, incendios y mucho mas.

## Ingrese a https://worldview.earthdata.nasa.gov/ y busque aerosol

2.3 Forzantes climaticos y gases de efecto invernadero

El efecto invernadero es un fenomeno que e produce naturalmente en la tierra, sin intervencion humana. Por ejemplo, concentraciones biogenicas de CO2 o el vapor de agua. Sin embargo, el termino forzante climatico se refiere de estos compuestos quimicos tienen una incidencia en el clima, pues alteran el cambio en iradiancia neta \(W \cdot m^{-2}\).

El forzante radiativo es utilizado como predictor de cambio en la media global de temperatura. IPCC (Schimel et al. 1996) define forzamiento radiativo como:

“The radiative forcing of the surface-troposphere system due to the perturbation in or the introduction of an agent (say, a change in greenhouse gas concentrations) is the change in net (down minus up) irradiance (solar plus long-wave; in Wm−2) at the tropopause AFTER allowing for stratospheric temperatures to readjust to radiative equilibrium, but with surface and tropospheric temperatures and state held fixed at the unperturbed values” (Schimel et al. 1996)

Del sitio web de Copernicus (https://atmosphere.copernicus.eu/climate-forcing:

“Climate forcing measures the imbalance in the Earth’s energy budget caused by a perturbation of the climate system, for example changes in atmospheric composition driven by human activities. Climate forcing, also known as Radiative Forcing, therefore determines the change in globally-averaged temperature change due to the natural or human-induced changes to the energy budget. Increases in greenhouse gas concentrations over the industrial era are responsible for a positive climate forcing, causing a gain of energy in the climate system. In contrast, changes in atmospheric aerosol concentrations result in a negative climate forcing leading to a loss of energy. It is the balance between these various climate forcings that drive the change in global temperature.” https://atmosphere.copernicus.eu/climate-forcing

Figure 2.11: Cambio en la temperatura media debido a forzantes radiativas (https://atmosphere.copernicus.eu/climate-forcing)

Figure 2.12: Cambio en la temperatura media debido a forzantes radiativas (https://atmosphere.copernicus.eu/climate-forcing)

Esta figura muestra un resumen de los compuestos y su forzante radiativo (FR) (Stocker 2014)

Figure 2.13: Forzante radiativo (https://atmosphere.copernicus.eu/climate-forcing)

2.3.1 Efectos directos e indirectos de aerosoles

• Directo: Influencia en balance radiativo.
• Indirecto: Influencia en el climia.
• Primer efecto indirecto: microfisica de la precipitacion.
• Segundo efecto indirecto: Cantidad de lluvia.

Figure 2.14: Forzantes indirectos (Robwood, 2019) (https://atmos.uw.edu/~robwood/teaching/591/ATMS_591_Albrecht_1989.pdf)

2.3.2 Black Carbon - Carbono negro

Son particulas producto de la combustion incompleta de combustibles con origen antropogenico y biogenico. Considerado el segundo gas de efecto invernadero despues de CO2 (Bond et al. 2013).

Figure 2.15: UNEP (https://twitter.com/UNEnvironment/status/1150404638501416961/photo/1

2.4 Emisiones y sus fuentes

Un inventario de emisiones es la compilacion del flujo de masa de contaminantes emitida en un lugar y tiempo determinado.

Son definidos por la ecuacion basica de :

\[\begin{equation} E = FE \cdot NA \tag{2.12} \end{equation}\]

Donde E es la emision, FE es el factor de emision y NA el nivel de actividad. Por ejemplo, si queremos saber las emisiones de vehiculos, FE esta en g/km, NA es la cantidad de vehiculos veces la distancia que recorren km en un tiempo determinado, luego E es la masa g de contaminantes.

2.4.1 Tipos

Ya que ya sabemos los contaminantes y su forzamiento radiativo, podemos ver cuales son las fuentes de ellos, desde elpunto de vista de contaminacion atmosferica y clima. Existen varios tipos de fuentes de emisiones:

Figure 2.16: Fuentes de emisiones

Pueden tener aplicaciones de gestion y cientificas:

Figure 2.17: Tipos de inventarios (Pules and Helsinga, 2013)

Por ejemplo, IPCC entrega guias para que los paises compilen inventarios de emisiones de gases de fecto invernadero:

Figure 2.18: Actualizacion en las guias de inventarios de emisiones IPCC (https://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2019rf/index.html)

Ahora podemos ver como ha sido la serie de emisiones globales de gases de efecto invernadero:

Figure 2.19: Serie de emisiones)

Figure 2.20: CO2 y temperatura (http://www.ipcc.ch/report/graphics/))

2.4.2 Calidad y criterio

Un inventario de emisiones debe considerar la aseguracion de la calidad. En este sentido, los cientificos buscan errores, puntos debiles. Los tomadores de decisiones (UNFCC-IPCC) buscan consenso. Por lo tanto, la calidad para los inventarios cientificos consiste en que las estimaciones tienen que ser confirmadas, calibradas y validadas. Y en el plano politico, un inventario de calidad genera in acuerdo y protocolo que todos deben atacar (VEA CLRTAP)

2.4.3 Dimensiones

Como cientificos necesitamos responder las siguentes preguntas:

• Que: Que contaminante (especifico) es emitido.
• Como: Cual es el proceso.
• Cuando: Caracterizacion temporal.
• Onde: Caracterizacion temporal.

** Mapas interactivos de Inventario de emisiones vehiculares de Sao Paulo (Ibarra 2017)**

• PM2.5
• NOx
• CO
• HC

2.4.4 Categorias llave

En los inventarios de emisiones muchas veces pocas categorias emiten la mayor cantidad de contaminantes. Estas son las categorias llave y es en ellas donde debemos invertir la mayor cantidad de esfuerzo y recurso economico.

2.4.5 Bottom-up y top-down

En las guias de emisiones europeas, (2016) muestra la definicion de los enfoques bottom-up y top-down.

Figure 2.21: Bottom up y top-down

2.4.6 Ejemplo de factores de emision (real-time GPS)

Figure 2.22: (Ibarra-Espinosa et al., 2019 under-review)

2.5 Nuevos modelos de emisiones: VEIN

En el ultimo par de años se han publicado nuevos modelos para el calculo de emisiones, como el Vehicular Emissions Inventory model (Ibarra-Espinosa et al. 2018) que consiste en una libreria en R (https://atmoschem.github.io/vein/).

Figure 2.23: (Ibarra-Espinosa et al., 2018, https://atmoschem.github.io/vein/)

Figure 2.24: (Ibarra-Espinosa et al., 2018, https://atmoschem.github.io/vein/)

2.6 Nuevos datos, satelites y modelacion inversa

La modelacion inversa esta siendo utilizada para corregir y re estimar emisiones con los nuevos datos de satelite disponibles (Kaiser et al. 2018):

Figure 2.25: (Kaiser et al., 2018)

Columna total de NO2 en europa con Sentinel 5P libreria stars (Pebesma 2019)

Figure 2.26: STARS! Sentinel 5P

References

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Kaiser, J., D. J. Jacob, L. Zhu, K. R. Travis, J. A. Fisher, G. González Abad, L. Zhang, et al. 2018. “High-Resolution Inversion of Omi Formaldehyde Columns to Quantify Isoprene Emission on Ecosystem-Relevant Scales: Application to the Southeast Us.” Atmospheric Chemistry and Physics 18 (8): 5483–97. https://doi.org/10.5194/acp-18-5483-2018.

Landrigan, Philip J, Richard Fuller, Nereus JR Acosta, Olusoji Adeyi, Robert Arnold, Abdoulaye Bibi Baldé, Roberto Bertollini, et al. 2018. “The Lancet Commission on Pollution and Health.” The Lancet 391 (10119). Elsevier: 462–512.

Macedonio, Giovanni, Maria Teresa Pareschi, and Roberto Santacroce. 1988. “A Numerical Simulation of the Plinian Fall Phase of 79 Ad Eruption of Vesuvius.” Journal of Geophysical Research: Solid Earth 93 (B12). Wiley Online Library: 14817–27.

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