ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN EN LA CONCENTRACIÓN DE OZONO EN LA CIUDAD DE SANTIAGO, Y SU RELACIÓN CON EL LUGAR DE PRESIÓN MÁXIMA EN CHILE

" " " "
" "UNIVERSIDAD CHILE " "
" "FACULTAD DE CIENCIAS AGRONOMICAS " "
" "ESCUELA DE AGRONOMIA " "





"ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN EN LA CONCENTRACIÓN DE OZONO EN LA "
"CIUDAD DE SANTIAGO, Y SU RELACIÓN CON EL LUGAR DE PRESIÓN "
"MÁXIMA EN CHILE "







Eduardo Mario Mera Garrido

"PROFESOR GUIA " "
" "CALIFICACIONES "
"Sr. Luis Morales Salinas " "
"Físico, Doctor en Ciencias. " "
" " "
"PROFESORES CONSEJEROS " "
" " "
"Sr. Andrés de la Fuente D. " "
"Ingeniero Agrónomo. " "
" " "
"Sr. Juan Manuel Uribe M. " "
"Ingeniero Agrónomo. " "


Santiago, Chile. 2005.


Resumen


En esta memoria se estudia, la distribución espacial de los valores
máximos diarios de la concentración de Ozono Troposférico, en la ciudad de
Santiago de Chile y su posible correlación con la posición geográfica que
adopta el Lugar de Presión Máxima (LPM) en Chile, cuando penetra al litoral
chileno. Los valores horarios de la concentración de Ozono Troposférico son
recopilados por la red de monitoreo ambiental de la calidad del aire,
MACAM2 -RM, dependiente del Servicio de Salud Metropolitano del Ambiente
de la Región Metropolitana (SESMA) y los datos del LPM fueron obtenidos de
los datos del proyecto Reanalysis de la NOAA. A partir de esta base de
datos se calcularon los valores máximos y medios de la concentración de
Ozono Troposférico para cada día del año y para cada una de las estaciones
de la red. Simultáneamente se calculó la hora de ocurrencia de la
concentración máxima horaria. Esto permitió el desarrollo de un modelo
destinado a la predicción a 24 horas del valor máximo de Ozono
Troposférico. El modelo resultó ser una combinación lineal entre variables
meteorológicas y valores de ozono del día anterior. El acierto del modelo
para condiciones buenas es del 86 %, y un 67 % para condiciones regulares,
el modelo presenta una baja capacidad estimativa de los eventos críticos de
contaminación. Cabe mencionar que al momento de realizar la presente
memoria, la norma horaria máxima de Ozono era de 80 ppb (160 (g/m3),














AGRADECIMIENTOS


A mis Hijos, que son la luz de mi vida



A mi Madre, que me enseñó las primeras letras.
A mi Padre, que me inculcó los principios y valores.
A mi Esposa que me entrega la fuerza para superarme.
A mi Abuela, Tías y Hermano.
A mis Maestros.
A mis Compañeros y Amigos.




INDICE

1.0 INTRODUCCION 10
1.1 Ozono troposférico 11
1.2 Formación y Destrucción del Ozono Troposférico 12
1.3 Efecto sobre la salud humana 13
1.4 Efectos sobre la vegetación 14
1.5 La legislación medioambiental 15
1.6 Los factores meteorológicos y precursores de ozono 19
1.7 El lugar de presión máxima (lpm) 20
1.8 Objetivos 21
2.0 MATERIALES Y METODO 22
2.1. Materiales 22
2.1.1 Área de Estudio 22
2.1.2. Información Cartográfica 23
2.1.3. Información Meteorológica y de Calidad del Aire 23
2.1.4. Recursos Computacionales 25
2.2 Método 25
2.2.1 Análisis de datos 25
2.2.2 Modelación de valores máximos de Ozono 28
3.0 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 29
3.1 Evaluación de los datos y tendencia de las series de tiempo 29
3.2 Modelo propuesto 36
3.3. Hora de ocurrencia de la concentración máxima de ozono troposferico
55
3.4 Caracterización espacial del contaminante 60
4.0 CONCLUSIONES 66
BIBLIOGRAFIA 68


FIGURAS

Figura 2.1.- Zona de estudio, correspondiente a la ciudad de Santiago de
Chile. 23
Figura 2.2- Red de monitoreo de calidad del aire de la Región Metropolitana
de Chile (MACAM2-RM) 24
Figura 2.3.- Diagrama del Método 27
Figura 2.4.- Base de datos ASCII de la Red de monitoreo de calidad del aire
MACAM2-RM. 26
Figura 3.1.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo diario de la
estación B de la red MACAM2- RM, para los años 1998 a 2001. 31
Figura 3.2.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo diario de la
estación F de la red MACAM2- RM, para los años 1998 a 2001. 31
Figura 3.3.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo diario de la
estación L de la red MACAM2- RM, para los años 1998 a 2001. 32
Figura 3.4.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo diario de la
estación M de la red MACAM2- RM, para los años 1998 a 2001. 32
Figura 3.5.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo diario de la
estación N de la red MACAM2- RM, para los años 1998 a 2001. 33
Figura 3.6.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo diario de la
estación O de la red MACAM2- RM, para los años 1998 a 2001. 33
Figura 3.7.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo diario de la
estación P de la red MACAM2- RM, para los años 1998 a 2001. 34
Figura 3.8.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo diario de la
estación Q de la red MACAM2- RM, para los años 1998 a 2001. 34
Figura 3.9.- Promedios anuales máximos y medios de concentración de Ozono
por estación de la red MACAM-2 entre los años 1998 a 2001. 35
Figura 3.10.- Lugar de presión máxima en Chile(LPM) entre los años 1998 -
2001. 39
Figura 3.11.- Temperatura media diaria en la ciudad de Santiago entre los
años 1998 – 2001. 39
Figura 3.12.- Presión media diaria a nivel del mar en la ciudad de Santiago
entre los años 1998 - 2001. 40
Figura 3.13.- La velocidad del viento media diaria en la ciudad de Santiago
entre los años 1998 - 2001. 41
Figura 3.14.- La temperatura del punto de rocío diaria en la ciudad de
Santiago entre los años 1998 - 2001. 42
Figura 3.15.- Coeficientes del modelo para cada estación de la red de
monitoreo ambiental MACAM-2. 46
Figura 3.16.-Zonas de isocomportamiento de los valores máximos de
concentración de Ozono Troposférico en la ciudad de Santiago durante el año
2001. 49
Figura 3.17.- Relación entre los valores medidos y estimados por el modelo
para la estación B. 51
Figura 3.18.- Relación entre los valores medidos y estimados por el modelo
para la estación F. 51
Figura 3.19.- Relación entre los valores medidos y estimados por el modelo
para la estación L. 52
Figura 3.20.- Relación entre los valores medidos y estimados por el modelo
para la estación M. 52
Figura 3.21.- Relación entre los valores medidos y estimados por el modelo
para la estación N. 53
Figura 3.22.- Relación entre los valores medidos y predichos por el modelo
para la estación O. 53
Figura 3.23.- Relación entre los valores medidos y predichos por el modelo
para la estación P. 54
Figura 3.24.- Relación entre los valores medidos y predichos por el modelo
para la estación Q. 54
Figura 3.25.- Valor medio y modal de la hora de ocurrencia de la
concentración máxima de Ozono troposférico para la red de Monitoreo MACAM-2
para el año 2001. 55
Figura 3.26.- Distribución espacial de la hora modal de ocurrencia de la
concentración máxima de Ozono troposférico en la ciudad de Santiago de
Chile para el año 1998. 56
Figura 3.27.- Distribución espacial de la hora modal de ocurrencia de la
concentración máxima de Ozono troposférico en la ciudad de Santiago de
Chile para el año 1999. 57
Figura 3.28.- Distribución espacial de la hora modal de ocurrencia de la
concentración máxima de Ozono troposférico en la ciudad de Santiago de
Chile para el año 2000. 57
Figura 3.29.- Distribución espacial de la hora modal de ocurrencia de la
concentración máxima de Ozono troposférico en la ciudad de Santiago de
Chile para el año 2001. 58
Figura 3.30.- Direcciones predominantes del viento observados en la ciudad
de Santiago de Chile. Se observan (a) tardes de invierno, (b) noches de
invierno, (c) tardes de verano y (d) noches de verano. 59
Figura 3.31.- Distribución espacial de la concentración máxima absoluta
diaria de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago (ppb) para el año
1998. 60
Figura 3.32.- Distribución espacial de la concentración máxima absoluta
diaria de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago (ppb) para el año
1999. 61
Figura 3.33.- Distribución espacial de la concentración máxima absoluta
diaria de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago (ppb) para el año
2000. 61
Figura 3.34.- Distribución espacial de la concentración máxima absoluta
diaria de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago (ppb) para el año
2001. 62
Figura 3.35.- Distribución espacial de la concentración máxima media anual
de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago (ppb) para el año 1998.
63
Figura 3.36.- Distribución espacial de la concentración máxima media anual
de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago (ppb) para el año 1999.
63
Figura 3.37.- Distribución espacial de la concentración máxima media anual
de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago (ppb) para el año 2000.
64
Figura 3.38.- Distribución espacial de la concentración máxima media anual
de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago (ppb) para el año 2001.
64


TABLAS

Tabla 1.1: Ejemplos de daños producidos por contaminantes atmosféricos, en
la vegetación. 15
Tabla 1.2: Cuadro comparativo entre la normativa de contaminantes aéreos de
los países de MÉXICO, E.E.U.U. y CHILE. 17
Tabla 3.1 Ubicación de las estaciones pertenecientes a la red de monitoreo
MACAM2-RM, utilizadas en el presente estudio. 29
Tabla 3.2.- Valores del calculo del proceso de Step Wise Forward Backward
sobre las variables ambientales, para cada estación de la red de monitoreo
ambiental MACAM-2. 43
Tabla 3.3.- Porcentaje de explicación total de la variable O3 (t+1), por
parte de las variables ambientales, en las estaciones en estudio. 44
Tabla 3.4.- Valores del recalculo del proceso de Step Forward Backward
sobre las variables ambientales replanteadas, para cada estación de la red
de monitoreo ambiental MACAM-2. 45
Tabla 3.5.- Porcentaje de explicación total de la variable O3 (t+1), por
parte de las variables ambientales, en las estaciones en estudio. 45
Tabla 3.6.- Coeficientes calculados del modelo para cada estación de la red
de monitoreo ambiental MACAM-2. 47
Tabla 3.7.- Matriz de correlación para las estaciones de la red MACAM-2.
48
Tabla 3.8.- Distancia euclidiana entre los coeficientes de la regresión
múltiple para las estaciones de la red MACAM-2. 48
Tabla 3.9.- Número total de casos por clases de índice de calidad del aire.
Estos representan bueno(1), regular(2) y malo(3). El símbolo representa
el valor medio. 50
Tabla 3.10.- Porcentaje de aciertos por sobre el número total de casos por
clases de índice de calidad del aire. Estos representan bueno(1),
regular(2) y malo(3). El símbolo representa el valor medio. 50

1.0 INTRODUCCION


El ozono es uno de los muchos gases constituyentes de la atmósfera.
Aunque su proporción es muy pequeña en comparación con otros componentes,
es de vital importancia porque protege la vida del planeta de los rayos
ultravioleta (UV-B) procedentes del sol, los cuales son peligrosos para la
salud humana, para los animales y las plantas, incluyendo el plancton
marino (Hewitt C. et al, 1990). Es un gas inestable de color azul, un
fuerte oxidante, y un compuesto inestable de tres átomos de oxígeno, y cuya
fórmula es O3. Es muy fácil de producir pero a la vez muy frágil, fácil de
destruir, de olor fuerte y altamente venenoso. El ozono tiene un punto de
ebullición de -111,9 °C, un punto de fusión de -192,5 °C y una densidad de
2,144 g/l. El ozono líquido es fuertemente magnético (Anjea V. et al,
1992).


El ozono se presenta desde la superficie terrestre hasta una altura
aproximada de 70 kilómetros, pero la mayor concentración, cerca del 90%, se
encuentra en la estratosfera entre los 19 y los 50 kilómetros, con una
máxima concentración entre los 19 y 23 kilómetros. Esta capa de máxima
concentración se conoce como capa de ozono y varía según la época y el
lugar geográfico (Ihl M, 1998).


Desde el punto de vista químico, es mucho más activo que el oxígeno
ordinario y es mejor como agente oxidante. Se usa para purificar el agua,
esterilizar el aire. Sin embargo, un bajo nivel de ozono en la troposfera
asociado a óxidos de nitrógeno y los gases orgánicos emitidos por los
automóviles y las industrias, constituye un peligro para la salud y puede
producir graves daños en las cosechas (Hewitt C. et al, 1990).
1.1 Ozono troposférico

El ozono troposférico o superficial, es el principal contaminante
fotoquímico secundario, se origina principalmente en las áreas urbanas por
varias fuentes de emisiones, como los automóviles y la industria. La
contaminación por ozono, es un problema diurno durante los días soleados, a
causa de que la luz solar desempeña un papel primordial en su formación
(Faiz et al, 1995).


El proceso comienza con las fuentes de óxidos de nitrógeno y de
hidrocarburos, a los que se les conoce como los "precursores" principales
del ozono, o con los compuestos que reaccionan en la presencia de luz solar
para producir ozono. Particularmente, cuando hay temperaturas elevadas,
asociadas a una radiación solar también alta, y además hay poca mezcla de
las corrientes de aire, el ozono superficial puede acumularse a niveles
tóxicos.

La concentración elevada de ozono superficial, es causante de muchos
problemas porque este gas actúa preferentemente sobre el aparato
respiratorio produciendo irritación y obstrucción bronquial, pero también
irritación ocular y nasal (Aranda et al, 1998). Estas acciones patogénicas
relacionan al ozono con la acción irritativa respiratoria, aumento de los
ataques de asma bronquial y aparición de neumopatías en exceso,
fundamentalmente por disminución de las defensas alveolares (Belmar, 1990).
También tiene efectos nocivos sobre la vegetación y sobre materiales de uso
común, como el caucho, el nylon, los plásticos, los colorantes y las
pinturas, corroe metales y deteriora las llantas de los vehículos (Ashmore
M.R. et al, 1997).

1.2 Formación y Destrucción del Ozono Troposférico

El ozono es formado en la troposfera por varias reacciones químicas,
que involucran a los óxidos de nitrógeno (NOx), compuestos reactivos
orgánico volátiles (VOC), y oxigeno biatómico (O2) en presencia de la luz
del sol (hν).

Las altas temperaturas atmosférica (>80 ºF) ó la intensa radiación a
altas altitudes son requeridas para formar el ozono (Lewis P. et al, 1994).

Reacciones típicas:

h. = Constante de Planck
ν = Frecuencia
λ = Longitud de onda
M =Donde M es un tercer cuerpo, generalmente N2 u O2

NO2 + h (295 μm < λ< 730 μm) ( NO + O
O + O2 + M ( O3 + M
NO + O3 ( NO2+ O2 (reacción rápida)

1.3 Efecto sobre la salud humana


El Ozono es un contaminante gaseoso secundario, producido por el smog
fotoquímico, que afecta la salud humana a través de la alta reactividad que
muestra esta sustancia en presencia de compuestos orgánicos con doble
enlace. Una de las acciones más relevantes está asociada a la acción
directa que presenta este contaminante frente a proteínas y elementos
constitutivos de las células que poseen enlace doble. Esta situación
conduce a transformaciones químicas que pueden dar lugar incluso a
mutaciones a nivel celular, cuando esta sustancia penetra al organismo a
través de las vías respiratorias. Es uno de los contaminantes de mayor
estudio en el campo epidemiológico por sus efectos nocivos a la salud
humana (Lewis P. et al, 1994).



Se ha demostrado que la contaminación de ozono, cuando es intensa
(suele venir acompañado de la aparición de smog fotoquímico en los días que
hay condiciones atmosféricas favorables), puede provocar una serie de
síntomas como:


Irritación en los ojos, irritación de las vías respiratorias
superiores, tos, dolor de cabeza, perturbaciones de la función respiratoria
en general, sobre todo en los niños y en los asmáticos.


Estos síntomas son debidos a que el ozono altera las funciones
celulares de las mucosas oculares, nasales y pulmonares.


Además la formación de ozono en atmósfera contaminada está acompañado
de la de otros contaminantes que aunque se encuentran en concentraciones
débiles su toxicidad está probada.


Los efectos a largo plazo, cancerígenos y mutágenos fundamentalmente,
siguen siendo inciertos (Ashmore M.R. et al, 1994).

1.4 Efectos sobre la vegetación

Los efectos de la Contaminación Atmosférica sobre las plantas se
manifiestan por alteraciones bioquímicas, respuestas fisiológicas y
síntomas visibles (Tabla 1.1). Destacan para el primero la reducción del
nivel de enzimas, en el segundo las alteraciones al proceso de fotosíntesis
y supresión de la transpiración, y para el tercero la clorosis (reducción
de los cloroplastos), manchas en la superficie de las hojas bronceado o
plateado por daño en la capa epidérmica, reducción en el desarrollo de la
planta y disminución de la cosecha, para terminar, en casos extremos, con
la muerte de la planta (Ashmore M.R. et al, 1997).



Estudios de laboratorio han demostrado la fitotoxicidad de los
contaminantes sobre las plantas, dentro de los que destacan ozono, dióxido
de azufre, dióxido de nitrógeno, fluoruros (HF, F-) y nitratos de
peroxiacilo (PANs), (Asmore M.R. et al, 1994).

En algunos casos, los contaminantes producen marcas visibles en las
plantas o frutos de éstas, destacando como ejemplos las plantas de
lechugas, tomates, tabaco; avena ; orquídeas, rosas, gladiolos y otras
flores; frutales como parras, cítricos, duraznos, damascos entre otras, que
se traducen en pérdidas económicas directas. En este caso, cabe destacar
que es altamente recomendable considerar que las características del medio
ambiente, antes de tomar decisiones relativas a la plantación de frutales o
de otros productos agrícolas, con el fin de no lamentar pérdidas económicas
causadas por los contaminantes (Bambawale O.M, 1986).


"Tabla 1.1: Ejemplos de daños producidos por contaminantes "
"atmosféricos, en la vegetación. "
" "
" "
" "
"Concentración de "
"Tiempo de "
" "
"Contaminantes "
"Síntomas "
"inicio daño μg/m3 "
"Exposición "
" "
"SO2 "
"Manchas en las hojas, "
"785 "
"8 Hrs. "
" "
" "
"clorosis. "
" "
" "
" "
"O3 "
"Manchas y Oscurecimiento "
"59 "
"4 Hrs. "
" "
" "
"De Hojas. "
" "
" "
" "
"PANs "
"Plateado y Bronceado de hojas. "
"50 "
"6 Hrs. "
" "
" "
" "
" "
" "
" "
"NOx "
"Daños irregulares por manchas "
"4700 "
"4 Hrs. "
" "
" "
"Blancas o cafés. "
" "
" "
" "
"HF "
"Quema de puntas y bordes de las hojas, "
"0.08 "
"5 semanas. "
" "
" "
"Separación al interior de ellas. "
" "
" "
" "
" "
" "
" "
" "
" "


De la tabla 1.1 se infiere que la contaminación atmosférica afecta
negativamente a la producción agrícola, en especial en plantas de tomates,
árboles frutales, pinos y en general en siembras agrícolas. Los costos
producidos por la contaminación atmosférica son difíciles de estimar. Sin
embargo, estimaciones realizadas para el año 1981 en EE.UU. indican que las
pérdidas en las cosechas son del orden de 1 a 2 billones de dólares,
equivalentes a un 2 a 4% de la producción total.

1.5 La legislación medioambiental

Entre las iniciativas legales modernas tendientes a controlar la
contaminación y mejorar el medio ambiente, lo primero que cabe señalar es
la inclusión en la Constitución Política de la República de Chile del
"decreto a vivir en un medio ambiente libre de contaminación" (Artículo 19,
Nº8). La disposición se encuentra reforzada en la norma constitucional, al
establecer entre las limitaciones y obligaciones relativas a la "función
social" de la propiedad privada, aquellas que se derivan de la
"conversación del patrimonio ambiental" (Artículo 19, Nº24, inciso
segundo). Además, el texto constitucional abre la posibilidad de interponer
un recurso especial de protección "cuando el derecho a vivir en un medio
ambiente libre de contaminación sea afectado por un acto arbitrario e
ilegal imputable a una autoridad o persona determinada" (Artículo 20,
inciso segundo). Aunque este recurso es de difícil aplicabilidad, los
antecedentes citados ofrecen un sólido fundamento y respaldo al
perfeccionamiento de nuestro ordenamiento jurídico en materias ambientales.
Los contaminantes del aire pueden diferenciarse entre gases y partículas
(CONAMA RM, 1997).

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), así
como la legislación de la Comunidad Económica Europea, señalan que los
contaminantes del aire que deben ser vigilados especialmente son; dióxido
de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NO, NO2,
NO3), ozono(O3), hidrocarburos y las partículas, en especial su fracción
respirable. En algunos casos, como Alemania, la legislación incluye también
algunos metales pesados. La autoridad chilena ha fijado normas primarias
para proteger la salud humana con un razonable margen de seguridad, y
normas secundarias para proteger el bienestar humano por causas indirectas,
como daños a la agricultura, flora o fauna silvestre (CONAMA, 1994).

En la tabla 1.2 se muestra una comparación de los valores de las
normas de calidad de aire de contaminantes primarios en MÉXICO, CHILE Y
E.E.U.U. en general, se constata que las normas MEXICANAS son las mas
tolerantes mientras que CHILE tiene las mas exigentes en dióxido de azufre
, y E.E.UU. es mas estricto en material particulado respirable.


"Tabla 1.2: Cuadro comparativo entre la normativa de contaminantes"
"aéreos de los países de MÉXICO, E.E.U.U. y CHILE. "
" "
"PAIS "
"MATERIAL PARTICULADO "
"Concentración de "
"Contaminantes "
"Químicos "
" "
" "
"Total "
"Respirable "
"Dióxido de Azufre "
" "
"Ozono "
" "
" "
"μg/m3 "
"Μg/m3 "
"μg/m3-ppm "
" "
"μg/m3-ppm "
" "
"MÉXICO "
"275 (d) "
"159 (d)* "
"356-0.13 (d) "
" "
"216-0.11(h) "
" "
" "
" "
" "
" "
" "
" "
" "
"E.E.U.U. "
"260 (d) "
"150 (d) "
"1300-0.5 (3h) "
" "
"240-0.12(h) "
" "
" "
"75 (mga) "
"50 (a) "
"365-0.14(d) "
" "
" "
" "
" "
" "
" "
"80-0.03(a) "
" "
" "
" "
"CHILE "
"260 (d) "
"150 (d) "
"NORTE "
"SUR "
"160-0.08(h) "
" "
" "
"75 (mga) "
" "
"1000-0.37 "
"700-0.26(h) "
" "
" "
" "
" "
" "
"365-0.14 "
"260-0.10(d) "
" "
" "
" "
" "
" "
"80-0.03 "
"60-0.02(a) "
" "
" "
" "
" PAIS "
"Monóxido de Carbono "
"Dióxido de Nitrógeno "
"Hidrocarburos Totales "
"Plomo "
" "
" "
"μg/m3-ppm "
"μg/m3-ppm "
"μg/m3-ppm "
"μg/m3-ppm "
" "
"MÉXICO "
"14872-13 (m8h) "
"395-0.21(h) "
"------ "
"1.5 (3 meses) "
" "
"E.E.U.U. "
"10000-9 (m8h) "
"100-0.05(maa) "
"160-0.24(3h) "
"1.5 (3 meses) "
" "
" "
"40000-35 (h) "
" "
" "
" "
" "
"CHILE "
"10000-9 (m8h) "
"470-0.25(h) "
"160-0.24(3h)* "
"------ "
" "
" "
"40000-35 (h) "
"300-0.16(d) "
" "
" "
" "
" "
" "
"100-0.05(a) "
" "
" "
" "
"(h) : media horaria - (d) : media diaria – 1. media anual - (3h) "
": media de 3 horas "
"(3 meses) : media de 3 meses - (mga) : media geométrica anual - "
"(maa) : media aritmética anual - (m8h):media móvil 8 horas - *: "
"valor de referencia - μg/m3: micro gramos metro cúbico "




México cuenta con normas de emisión para una serie de industrias y
procesos productivos, con una pequeña tolerancia por factores de
localización.

E.E.U.U. tiene normas basadas en la mejor tecnología disponible para
todas las nuevas fuentes emisoras industriales (NEW SOURCE STANDARS).

Existen otros elementos nocivos que son controlados en el monitoreo
pero no están incluidos en la Norma Chilena aunque son de interés, como los
compuestos orgánicos volátiles (COV), señalados como objeto de vigilancia
por la EPA. Los hidrocarburos son un conjunto de sustancias químicas
orgánicas que en su mayoría se originan a partir de la evaporación de los
COV. Estos se combinan con NO, bajo la acción de la luz solar, en una
reacción que permite la formación de O3 (CONAMA RM, 1997).

Como se mencionado anteriormente, al momento de la realización de la
presente memoria, la norma horaria máxima de Ozono troposférico era de 80
ppb (160 (g/m3), según el decreto supremo numero 16, promulgado el 22 de
Enero de año 1998 de la Secretaría General de la Republica, se tiene que
esta norma fue modificada por el decreto supremo numero 112, promulgado el
6 de marzo del año 2003 la Secretaría General de la Republica, el cual
establece una concentración de 8 horas de 61 ppb, (120 (g/m3N), norma
adecuada por la naturaleza fotoquímica del contaminante, que hace que este
tenga su máxima concentración en entre las 8:00 y 16:00, según
posteriormente se vera en la presente memoria.


En nuestro país se usa el concepto de Índice de Calidad del Aire para
Gases (ICAG), que se evalúa la razón entre la concentración de contaminante
medida y la normativa de la calidad del aire, posteriormente multiplicando
el resultado de la razón por 100, para llevarlo a términos de porcentaje (
Ulriksen P, 2001). El Índice de Calidad del Aire para Gases se interpreta
de la siguiente forma de 0% a 100% es buena, entre 100% y 200% es regular y
superiores a 200% es mala calidad del aire (CONAMA – RM, 1997).



1.6 Los factores meteorológicos y precursores de ozono


Los principales factores meteorológicos que influyen la dispersión y
transporte de los contaminantes atmosféricos, son la velocidad del viento,
el nivel de turbulencia presente y la existencia de limitaciones a la
dispersión vertical por efecto de la capa de inversión térmica (Ulriksen,
1980).




El transporte se encuentra regulado por el movimiento medio del aire,
influenciado por el relieve y la rugosidad superficial de la cuenca. La
dispersión provocada por la turbulencia presente en el fluido, está
determinada por la velocidad del viento, la transferencia de calor entre la
superficie y la capa límite. La presencia de una capa de inversión baja,
produce una barrera a la dispersión vertical de los contaminantes, fenómeno
frecuente en esta ciudad en los meses de invierno. La dinámica de la capa
de inversión es compleja, pero podemos describirla comentando que en
verano la altura de ésta se sitúa, en promedio, alrededor de los 1000 m, en
cambio, durante el invierno dicho techo se encuentra, en promedio,
alrededor de los 500 m (Ulriksen, 1980). La ocurrencia de eventos de
contaminación se encuentra asociado a los factores anteriores, agudizándose
en condiciones de poca ventilación, una capa de mezcla reducida y vientos
débiles (Sandoval et al, 1990).


En Santiago de Chile el ozono, constituye actualmente un serio
problema, por ello que la ciudad fue catalogada en 1996 como zona saturada
por esta sustancia. De hecho las concentraciones de ozono están
incrementándose. La norma horaria máxima es de 80 ppb (160 (g/m3), superada
en todas las estaciones de la red de monitoreo MACAM2-RM, pero la mayor
frecuencia se encuentra en el sector oriente de la ciudad (Ihl, 1998).
Este contaminante se denomina secundario, debido a que es generado en la
atmósfera por reacciones fotoquímicas. La dinámica temporal de este
contaminante se encuentra ligada a la radiación solar y a las
concentraciones de NOx, VOC y las características meteorológicas
mencionadas anteriormente, esto es, poca ventilación, una capa de mezcla
reducida y vientos débiles.

1.7 El lugar de presión máxima (lpm)
Otra manera de explicar los eventos críticos de contaminación en
Santiago se estudia en el presente trabajo, lo que se hace individualizando
diariamente con la Carta Sinóptica de Superficie elaborada en el Centro
Nacional de Análisis de la Dirección Meteorológica de Chile, a las 18:00
horas UTC (Universal Time Coordinate), el lugar donde cruza el anticiclón
del Pacífico con su valor máximo de presión atmosférica el continente
sudamericano.
En las cartas isobáricas de superficie se observa sobre el continente
una cuña de alta presión que penetra al litoral y que divide al territorio
nacional en tres regiones meteorológicamente distintas: La región al norte
y sur de la cuña, y la cuña misma.
A escala sinóptica, si la cuña es reemplazada por el LPM (Parra et al,
1994), este último divide al país en sólo dos regiones meteorológicamente
diferentes: al sur del LPM, una región caracterizada por lo que se llama
subjetivamente mal tiempo (precipitaciones, días nublados o cubiertos,
escasas horas de sol, etc.); y al norte del LPM, una región caracterizada
por el buen tiempo.
1.8 Objetivos


El objetivo general de esta memoria es generar un modelo matemático
que permita pronosticar la concentración máxima de ozono a 24 horas, para
la ciudad de Santiago de Chile.


Los objetivos específicos son:


1. Obtener y analizar las series de tiempo (1998 a 2001) de las
concentraciones de ozono en la red de monitoreo en la red MACAM2-RM.


2. Obtener y analizar las series de tiempo (1998 a 2001) de las
variables meteorológicas de temperatura media diaria, temperatura del
punto de rocío, presión y velocidad del viento para la ciudad de
Santiago de Chile.


3. Obtener y analizar las series de tiempo para el lugar de presión
máxima en Chile.


4. Generar una metodología de análisis, que permita obtener la
dependencia temporal del ozono en función del lugar de presión máxima
y las variables meteorológicas.
2.0 MATERIALES Y METODO

2.1. Materiales


2.1.1 Área de Estudio

El área de estudio se centra en la ciudad de Santiago de Chile, que
tiene una población de 5.875.013 habitantes (Instituto Nacional de
Estadísticas, 2004) y se encuentra localizada entre los 32° 55´ y los 34°
19´ de 0latitud sur, y entre los 69° 46´ y 71° 39´ de longitud oeste
(Figura 2.1).


El territorio geográfico de la región es de 15. 479 km2 y está formado
en un 85,7% por montañas , ocupando la urbanización sólo el 3,3% del
valle.


La zona tiene tres grandes unidades de relieve que son: la cadena de
la Cordillera de los Andes con alturas máximas de 6570 m; la cadena de la
Cordillera de la Costa con alturas máximas de 2.222 m; la depresión
intermedia que está situada aproximadamente entre los 500 m y los 2500 m
sobre el nivel del mar. Es en esta depresión intermedia donde se ha
efectuado el desarrollo urbano de la ciudad.


Climatológicamente corresponde a un clima semiárido con una marcada
concentración de precipitaciones en invierno y un verano prolongado y seco.
Las condiciones naturales de la cuenca de Santiago son de poca ventilación
(Ulriksen, 1980).




2.1.2. Información Cartográfica



La información cartográfica utilizada proviene de cartas terrestres a
escala 1:50.000 de la ciudad de Santiago de Chile, editadas por el
Instituto Geográfico Militar, las cuales fueron digitalizadas a objeto de
ingresarlos a un Sistema de Información Geográfica.


" "
"Figura 2.1.- Zona de estudio, correspondiente a la ciudad de "
"Santiago de Chile. "


2.1.3. Información Meteorológica y de Calidad del Aire


La fuente de información del ozono troposférico se obtuvo del
Servicio de Salud del Ambiente (SESMA) quien opera desde de 1997 una Red
Automática de Monitoreo de Contaminantes Atmosféricos en la Región
Metropolitana (RED MACAM2-RM) que es un sistema automático, que recolecta
datos en promedio de cinco minutos, los que se usan para calcular en un
computador central promedios de 1 hora (Figura 2.2). Para el análisis de
la información se opera con un software ambiental denominado AIRVIRO. Los
índices de la calidad del referido a gases-ozono (ICAG-O3) se obtuvieron de
la base de datos ASCII del SESMA.




Los valores medios diarios de las variables meteorológicas para
Santiago fueron obtenidos a partir de bases de datos públicas de la NOAA
(www.noaa.gob). Estos datos se encuentran a libre disposición de cualquier
usuario en el mundo, y desde el año 1994 a la fecha, para todas las
estaciones meteorológicas que informan a la Organización Meteorológica
Mundial OMM (www.omm.org), entre ellas las de la Dirección Meteorológica de
Chile (DMC).


" "
"Figura 2.2- Red de monitoreo de calidad del aire de la Región"
"Metropolitana de Chile (MACAM2-RM) "

2.1.4. Recursos Computacionales

Los distintos programas computacionales fueron elaborados en Qbasic y
ejecutados en un computador de 512 Mb en memoria RAM y 60 Gb en disco duro.
Los datos resultantes de los programas desarrollados fueron procesados en
la planilla electrónica Excel. El análisis estadístico se realizó con el
software ORIGIN versión 5.0 para Windows (www.microcal.com). Para la
digitalización de las cartas IGM, georeferenciación, análisis espacial de
datos, ploteo de isolíneas y gráficos en general se utilizaron los
programas IDRISI32 (www.clarklabs.org) y SURFER (www.goldensoftware.com).

2.2 Método

La figura 2.3 muestra un diagrama del método empleado para estudiar
la dinámica del ozono troposférico en la ciudad de Santiago de Chile. Este
se basa fundamentalmente en dos partes. La primera corresponde a la
confección de bases de datos y análisis de estos. La segunda corresponde a
la aplicación de técnicas de dinámica de sistemas.

2.2.1 Análisis de datos

Primeramente la información proveniente de la red de monitoreo de
calidad del aire y de la estación meteorológica es ordenada en bases de
datos de tal forma que puedan ser analizados en forma estadística.




Los datos de la RED MACAM2-RM, se ordenaron con un programa
desarrollado para este efecto, debido a que las bases de datos ambientales
se encuentran en formato ASCII y con una característica dada por la
estructura mostrada en la figura 2.4 En ella el primer campo representa el
año, mes día. El segundo campo representa la hora del día, que va desde las
1:00 de la mañana hasta las 24:00 horas. Los demás campos indican el
valor medio horario de las estaciones de al red de calidad del aire MACAM2,
denominadas B, F, L, M, N, O, P y Q.

" "
"19980101,0100 , 3, 1, -99, 4, 1, 4, 2, 2, "
"19980101,0200 , 3, 1, -99, 4, 1, 3, 1, 2, "
"19980101,0300 , 3, 1, -99, 4, 1, 3, 1, 2, "
"19980101,0400 , 3, 1, -99, 4, 1, 3, 1, 2, "
"19980101,0500 , 3, 1, -99, 5, 1, 4, 1, 2, "
"19980101,0600 , 3, 1, 4, 7, 1, 4, 2, 2, "
". . . . . "
". . . . . . "
". . . . . "
". . . . . . "
". . . . . "
". . . . . . "

Figura 2.4.- Base de datos ASCII de la Red de monitoreo de calidad del aire
MACAM2-RM. En ella el primer campo representa el año, mes día. El segundo
campo representa la hora del día, que va desde las 1:00 de la mañana
hasta las 24:00 horas. Los demás campos indican el valor medio horario de
las estaciones de al red de calidad del aire MACAM2, denominadas B, F, L,
M, N, O, P y Q.



A partir de estos datos se calculo el valor máximo, la hora del valor
máximo, el valor modal, y el valor medio diario de las concentraciones de
Ozono apara cada una de las estaciones. A partir de esto se calcularon las
bases de datos definitivas para el análisis de la distribución espacial de
este contaminante secundario.
" "


Figura 2.3.- Diagrama del Método
2.2.2 Modelación de valores máximos de Ozono

La evolución de la concentración máxima diaria de Ozono pudo ser
modelada a partir de la hipótesis de que estos valores son dependientes de
las variables meteorológicas. En este sentido, se propone que la
evolución de la concentración máxima diaria puede ser expresada como una
combinación lineal de las variables principalmente meteorológicas. Esta
dependencia puede ser calculada a partir de técnicas estadísticas de
regresión múltiple.
3.0 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Evaluación de los datos y tendencia de las series de tiempo

Los datos utilizados para el presente trabajo se obtuvieron del
Servicio de Salud del Medio Ambiente de la Región Metropolitana (SESMA).

Las estaciones de monitoreo utilizadas en el presente estudio se
muestran en la tabla 3.1.
Tabla 3.1 Ubicación de las estaciones pertenecientes a la red de monitoreo
MACAM2-RM, utilizadas en el presente estudio.
"Sector "Monitor "Comuna "Locación "
"Centro "B (1) "Providencia "Providencia "
"Centro –Norte "F (2) "Recoleta "Av. La Paz "
"Centro –Este "M (4) "Las Condes "Av. Las Condes "
"Sur "O (6) "Pudahuel "Pudahuel "
"Centro –Sur "N (5) "Santiago "Parque O'Higgins"
"Sur –Oeste "P (7) "Cerillos "Salomón Sack "
"Sur "Q (8) "El Bosque "Riquelme "
"Sur- Este "L (3) "La Florida "La Florida "

La serie de tiempo de concentración máxima diaria de Ozono para los
años 1998 a 2004, para su representación, se dispusieron los datos
originales en la poligonal de color azul y los suavizados con color rojo,
según se muestran de las figuras 3.1 a la 3.8.


En ellas se observan las concentraciones máximas de ozono en ppb,
registradas en la estaciones disponibles de la red MACAM2-RM, se puede
distinguir que las máximas concentraciones de ozono se registran en las
estaciones del año correspondiente a primavera- verano, lo otro que se
extrae de la figura es la irregularidad de los datos, los cuales aunque
poseen una notoria tendencia al alza en las estaciones de primavera-
verano, se observa una baja notoria hacia en las estaciones de otoño-
invierno, esto tendría su explicación en los siguientes factores: Primero,
el ozono troposférico es un contaminantes de naturaleza fotoquímica, el
cual ante la presencia de longitudes de onda, que oscilan entre los 3000 y
4000 Ángstrom, detonan su conformación a partir de su precursor (NOx), Este
se origina principalmente a partir del proceso de desnaturalización que
sufre el nitrógeno troposférico al estar en contacto con superficies las
cuales registran altos niveles de temperatura.




En segundo término en invierno los niveles de temperatura atmosférica
descienden, por lo cual el intercambio que se registran entre la atmósfera
y las fuentes de temperatura, tiene como resultado el enfriamiento de las
superficies, con lo cual baja de forma considerable la producción de ozono
al disminuir las potenciales fuentes NOx.




Se tiene que directamente el régimen de vientos en la ciudad de
Santiago de Chile es más menos activa en las estaciones de Otoño-Invierno
y más activa en Primavera- Verano, se tiene que las masas precursoras de
ozono las cuales están presentes en las zonas de bajas altitudes de la
cuenca presentan un menor desplazamiento hacia las zonas de altas altitudes
de la cuenca sobre las cuales se experimenta una mayor cantidad de
radiación solar, por lo cual se ve disminuida la producción de ozono en la
cuenca.










" "
"Figura 3.1.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo "
"diario de la estación B de la red MACAM2- RM, para los años 1998 "
"a 2001. "
" "
"Figura 3.2.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo "
"diario de la estación F de la red MACAM2- RM, para los años 1998 "
"a 2001. "
" "
"Figura 3.3.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo "
"diario de la estación L de la red MACAM2- RM, para los años 1998 "
"a 2001. "
" "
"Figura 3.4.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo "
"diario de la estación M de la red MACAM2- RM, para los años 1998 "
"a 2001. "
" "
"Figura 3.5.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo "
"diario de la estación N de la red MACAM2- RM, para los años 1998 "
"a 2001. "
" "
"Figura 3.6.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo "
"diario de la estación O de la red MACAM2- RM, para los años 1998 "
"a 2001. "
" "
"Figura 3.7.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo "
"diario de la estación P de la red MACAM2- RM, para los años 1998 "
"a 2001. "
" "
" "
"Figura 3.8.- Tendencia de la concentración de Ozono, máximo "
"diario de la estación Q de la red MACAM2- RM, para los años 1998 "
"a 2001. "
" "
"Figura 3.9.- Promedios anuales máximos y medios de concentración "
"de Ozono por estación de la red MACAM-2 entre los años 1998 a "
"2001. "


En las figura 3.9. se aprecia que la estación "M" de la red MACAM2-RM
presenta la máxima concentración del contaminante, esto se relacionaría con
la ubicación de la estación es la que se encuentra a mayor altitud, y por
tanto representa al macizo cordillerano de los Andes, sobre el cual se
registran las mayores intensidades de radiación incidente en superficie, la
que genera un mayor calentamiento superficial, que directamente afecta la
densidad de la masa de aire que esta en contacto con esta, esto origina la
dirección predominante del flujo existente en la cuenca antes de las 14:00
horas del día y en las cuales se registra la hora de las mayores
concentraciones de ozono. Por otro lado, la estación "O" de la red MACAM2-
RM se observa la mínima concentración de contaminantes debido directamente
a que la mencionada estación esta localizada en plano del valle a una baja
altitud, y no experimenta mucho una radiación solar incidente a la
registrada en las zonas altas de la ciudad de Santiago, también cabe
mencionar que la mecánica de los vientos experimentada en entorno
geográfico, facilita el transporte de contaminantes a este sector de la
ciudad en horas nocturnas, lo que genera que la presencia del Ozono
troposférico, sea baja, por falta de radiación solar que actué como
precursor. Los valores medios de concentración de contaminantes oscila
entre los 25 ppb, observados en la Estación "B" de la Red MACAM2-RM y 80
ppb, observados en la estación "M" de la red MACAM2-RM, esto debido a que
se generan predominios de las islas térmicas las cuales por diferencial de
temperatura, generan una disminución en la densidad del aire, lo que
provoca una zona de advección, que genera cambios claros en la distribución
de las concentraciones de ozono en la cuenca, debido a la redistribución de
los precursores del contaminante.

3.2 Modelo propuesto


Debido a la singular topografía de la región, la variación espacial de
la intensidad de las variables meteorológicas. Entre ellas tenemos las
temperaturas y el campo de vientos, que son factores muy importantes en la
distribución espacial de las concentraciones de contaminantes atmosféricos.
La configuración de la superficie determina la circulación nocturna del
aire, de forma tal que en pocas decenas de metros se producen altos
gradientes térmicos (Bootsma,1984; Laughlin and Kalma,1987). Lo anterior
hace suponer que en topografías accidentadas, la microadvección modifica el
valor del campo térmico. La altura de la capa de inversión, la
microadvección, la inclinación del terreno y la naturaleza de este, hacen
que se configuren patrones térmicos o áreas que se comportan como un todo
uniforme, en que existe una alta correlación entre la temperatura de un
punto y la de cualquiera de los otros puntos dentro del área (Cellier,
1991).


La estrecha relación entre la distribución vertical y espacial de las
temperaturas mínimas con la topografía (Bootsma A., 1984), permite el
desarrollo de modelos basados en algoritmos que relacionan la temperatura
en toda el área, caracterizada por un patrón térmico, y la temperatura en
un punto de referencia interior al área. De tal forma que la distribución
espacial de este contaminante atmosférico sigue patrones muy similares a
comportamientos asociados a la topografía, debido al nivel de incidencia de
radiación y demás mecanismos atmosféricos que este promueve como la
dinámica de los vientos, la temperatura y la humedad entre otros. Se
considera, desde el punto de vista meteorológico, que el valor de la
concentración se encuentra dado por:

La forma numérica se obtiene de:







De modo que:

Donde:
C = Concentración del Material Particulado (ppb)
aI = constante que depende de cada parámetro del modelo
LPM = Lugar de Presión Máxima en Chile (°Sur)
T = Temperatura media (°C)
Td = Temperatura del Punto de Rocío (°C)
P = Presión (hPa)
u = Velocidad del viento (m/s)
NHEM = Numero de horas de excedencia del máximo (Numero Horas)
HM = Hora a la cual se observo el máximo (Hora)
(t = 1 día


Para obtener los coeficientes de la función de las variables
meteorológicas, es necesario contar con los valores para Santiago. A
continuación se grafican las series de datos obtenidos meteorológicos
usados para generar el presente modelo.

La figura 3.10 muestra el lugar de presión máxima en Chile para los
años 1998 a 2001, que en esta tesis es usado como un descriptor
meteorológico. La hipótesis de este hecho radica en que este parámetro es
capaz de describir adecuadamente la evolución del Ozono en la ciudad de
Santiago. El LPM es variable durante el año mostrando una clara tendencia
estacional en fase con la declinación solar. Este hecho principal hace
suponer que cualquier variable meteorológica puede ser expresada como una
combinación lineal del LPM.

" "
"Figura 3.10.- Lugar de presión máxima en Chile(LPM) entre "
"los años 1998 - 2001. "

" "
"Figura 3.11.- Temperatura media diaria en la ciudad de "
"Santiago entre los años 1998 – 2001. "


Se observa en la Figura 3.11, que la temperatura media en la cuenca de
Santiago, se rige por un fenómeno netamente estacional, diferenciado
claramente en dos fases, la primera que es de altas temperaturas que se
registra en las estaciones de Primavera- Verano, y una segunda fase en las
estaciones de Otoño- Invierno, esto debido directamente a la radiación
solar incidente sobre este sector del planeta en estas fases anteriormente
mencionada, se registro una temperatura promedio interanual de 14,54 (°C),
con una máxima promedio de 24,56 (°C) y Mínima promediada de 3,68 (°C).

" "
"Figura 3.12.- Presión media diaria a nivel del mar en la "
"ciudad de Santiago entre los años 1998 - 2001. "

Se visualiza en la Figura 3.12, que la presión media diaria observada
sobre el área de estudio tiende a aumentar en los meses invernales, debido
a las presencias de masas de aire húmedo y frió, como a la vez tiende a
disminuir en los meses veraniegos debido a la presencia de aire caliente y
seco, aunque esto ultimo se ve interrumpido por movimiento en el Lugar de
presión de Máxima, que hace que el clima varié del comportamiento
anteriormente descrito, se observo una presión media diaria interanual de
1016,31 (hPa), y una variación de presión media diaria, que oscila entre
los 1026,36 (hPa) y los 1007,03 (hpa).

" "
"Figura 3.13.- La velocidad del viento media diaria en la "
"ciudad de Santiago entre los años 1998 - 2001. "

El viento es un factor que va muy asociado a la estación del año en la
cual nos encontremos y a la configuración espacial que posea la cuenca en
estudio, se tiene que en los meses invernales la velocidad de los vientos
registrada es menos debido a lo denso de las masas de aire que se
transportan en el entorno y esta varia solamente en función de fenómenos
urbanos como las islas térmicas o naturales como lo serian la quema de un
bosque sin intervención humana, en verano aumenta la velocidad al
presentarse una mayor radiación solar la cual genera gradientes de
temperaturas notables entre el valle y la montaña, activando el mecanismo
de transporte de vientos en función de los gradientes térmicos. En la
Figura 3.13 se observo una velocidad del viento interanual de 4,89 nudos,
con una oscilación que varia entre los 9,13 nudos y los 0,65 nudos.

" "
"Figura 3.14.- La temperatura del punto de rocío diaria en "
"la ciudad de Santiago entre los años 1998 - 2001. "

En la Figura 3.14, se observa que la temperatura del punto de rocío
experimenta fluctuaciones estacionales asociadas a las estaciones de buenas
condiciones climáticas (primavera –verano) y malas condiciones climáticas
(otoño –invierno), aunque se ha ido notando una evolución interanual de
homogenización, las cuales se deberían ha efectos de cambio climático
(Morales, Et al. 1996). Se tiene una temperatura del punto de rocío
interanual promedio de 7,57 (°C).


Con el fin de evaluar cuales eran los factores los cuales aportaban de
forma más considerable al modelo de comportamiento temporal se tomaron en
consideración los valores del día anterior en el año correspondiente al
pronóstico, con respecto a:
1. La Concentración máxima diaria de Ozono (ppb)
2. El Lugar de Presión Máxima en Chile (° Sur)
3. La Temperatura media diaria (°C)
4. La Temperatura del Punto de Rocío (°C)
5. La Presión media diaria (hPa)
6. La velocidad del viento media diaria (nudos).
7. Numero de horas de excedencia del máximo (Numero Horas)
8. Hora a la cual se observo el máximo (Hora)


Los cuales fueron sometidos a un análisis de Step Wise Forward –
Backward, en el software Statgraphics, lo cual arrojo los siguientes las
variables relevantes para el modelo explicado en términos de su "valor p",
eran:

"Tabla 3.2.- Valores del calculo del proceso de Step Wise Forward "
"Backward sobre las variables ambientales, para cada estación de "
"la red de monitoreo ambiental MACAM-2. "
" "
"Coef "
"T (ºC) "
"P (hPa) "
"VIENTO "
"LPM "
"O3(t) "
" "
"B "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"F "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"0,0000 "
" "
"L "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"M "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"0,0014 "
"0,0000 "
" "
"N "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0310 "
"0,0130 "
"0,0000 "
" "
"O "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"P "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0252 "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"Q "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "

Debe tenerse en cuenta que las variables con valores en blanco y no
presentes, fueron descartadas por el proceso estadístico.

En base a los resultados del proceso estadístico realizado, los
presentes factores que explican más satisfactoriamente a la evolución de la
variable O3 (t+1) en porcentaje, son:

"Tabla 3.3.- Porcentaje de explicación total de la variable O3 "
"(t+1), por parte de las variables ambientales, en las estaciones "
"en estudio. "
" "
"Estación "
"B "
"F "
"L "
"M "
"N "
"O "
"P "
"Q "
" "
"Porcentaje (%) "
"31 "
"38 "
"41 "
"53 "
"34 "
"30 "
"30 "
"31 "
" "

El resultado del análisis muestra valores deficientes para explicar la
variable O3 (t+1), por ello se procedió a recalcular los valores de la
concentración máxima diaria de Ozono (ppb), en función de la media de los
valores de la serie temporal interanual registrada para esta variable, con
el fin de poder depurar los datos de cualquier error de medición y
ajustarlo a la tendencia de la variable en el tiempo. El proceso se
caracteriza por ser iterativo, con el fin de alterar lo menos posible los
datos se procedió a realizar una iteración. Se procedió posteriormente a
reprocesar los datos a sistema de "Step Wise Forward – Backward", con el
fin de evaluar cuales eran las variables que mas aportaban a la explicación
de O3 (t+1), las variables en cuestión son las anteriormente utilizadas
excepto la concentración máxima diaria de Ozono que fue sustituida por la
concentración máxima media tendencial diaria de Ozono, del análisis se
obtuvo que las variables relevantes en términos de su "valor p", eran los
siguientes:








"Tabla 3.4.- Valores del recalculo del proceso de Step Forward "
"Backward sobre las variables ambientales replanteadas, para cada "
"estación de la red de monitoreo ambiental MACAM-2. "
" "
"Coef "
"T (ºC) "
"P (hPa) "
"NHEM "
"HM "
"O3(t) "
" "
"B "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0030 "
"0,0010 "
"0,0000 "
" "
"F "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0038 "
"0,0000 "
" "
"L "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0084 "
"0,0000 "
" "
"M "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "
"N "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0017 "
"0,0000 "
" "
"O "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0003 "
"0,0000 "
" "
"P "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0010 "
"0,0000 "
" "
"Q "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
"0,0000 "
" "

Debe tenerse en cuenta que las variables con valores en blanco y no
presentes, fueron descartadas por el proceso estadístico utilizado.


En base a los resultados del proceso estadístico realizado, los
presentes factores que explican más satisfactoriamente a la evolución de la
variable O3 (t+1) en porcentaje, son:

"Tabla 3.5.- Porcentaje de explicación total de la variable O3 "
"(t+1), por parte de las variables ambientales, en las estaciones "
"en estudio. "
" "
"Estación "
"B "
"F "
"L "
"M "
"N "
"O "
"P "
"Q "
" "
"Porcentaje (%) "
"70 "
"71 "
"75 "
"82 "
"72 "
"69 "
"70 "
"70 "
" "

El resultado de este muestra que las variables seleccionadas
describen satisfactoriamente la evolución de la variable O3 (t+1), por ello
se utilizará este modelo lineal como predictor.


Este modelo es aplicado para todas las estaciones encontrándose los
coeficientes correspondientes los cuales son mostrados en la tabla 3.6.
Además la figura 3.15 muestra gráficamente como se distribuyen estos
coeficientes para cada estación de la red MACAM-2. En esta figura se
observa que existe una tendencia a la agrupación de las estaciones. En
efecto, a partir de la figura 3.15 se distinguen cuatro grupos. Pero para
poder hacer una separación entre ellos, se procedió a realizar un análisis
de conglomerados en el software Idrisi. De esta manera se pudo identificar
claramente la pertenencia de cada estación a su grupo.

" "
"Figura 3.15.- Coeficientes del modelo para cada estación de "
"la red de monitoreo ambiental MACAM-2. "

La forma de encontrar esa pertenencia es construyendo la matriz de
correlación y de distancia euclidiana entre los coeficientes de cada
estación. La idea principal fue considerar a los coeficientes de cada
estación como un vector multidimensional, de tal forma que mientras menor
sea la distancia euclidiana entre ellos, más tenderán a parecerse.


"Tabla 3.6.- Coeficientes calculados del modelo para cada estación "
"de la red de monitoreo ambiental MACAM-2. "
" "
"Coef "
"a (1) "
"a (2) "
"a (3) "
"a (4) "
"a (5) "
" "
"B "
"-0,0098 "
"0,0018 "
"-6,6639 "
"0,0596 "
"0,9185 "
" "
"F "
"0,2796 "
"0,0025 "
"-4,1223 "
"0,0213 "
"0,8606 "
" "
"L "
"0,4202 "
"-0,0011 "
"-3,6960 "
"0,2796 "
"0,8713 "
" "
"M "
"0,6539 "
"-0,0036 "
"-2,4458 "
"0,2115 "
"0,9130 "
" "
"N "
"0,2931 "
"0,0024 "
"-3,1866 "
"0,1419 "
"0,8501 "
" "
"O "
"0,2024 "
"0,0028 "
"-3,7417 "
"0,2132 "
"0,8029 "
" "
"P "
"0,2243 "
"0,0025 "
"-3,3954 "
"0,2157 "
"0,8215 "
" "
"Q "
"0,3030 "
"0,0005 "
"-2,8027 "
"0,3239 "
"0,8006 "
" "


Si observamos con atención la tabla 3.7, que corresponde a la matriz
de correlación de las estaciones consideradas, se aprecia claramente que
los vectores coeficientes tienden a agruparse por el coeficiente de
correlación. Pero esta matriz por si sola no explica la tendencia del
agrupamiento, para ello es necesario observar la tabla 3.8, la cual muestra
la distancia euclidiana entre los vectores coeficiente la cual al ser
sometida al analizador de cluster del software Idrisi, se generan cuatro
grupos los cuales son visualizados en la Figura 3.16.







"Tabla 3.7.- Matriz de correlación para las estaciones de la red "
"MACAM-2. "
" "
" "
"B "
"F "
"L "
"M "
"N "
"O "
"P "
"Q "
" "
"B "
"1,0000 "
"0,9974 "
"0,9963 "
"0,9805 "
"0,9956 "
"0,9986 "
"0,9976 "
"0,9949 "
" "
"F "
"0,9974 "
"1,0000 "
"0,9986 "
"0,9913 "
"0,9993 "
"0,9987 "
"0,9987 "
"0,9969 "
" "
"L "
"0,9963 "
"0,9986 "
"1,0000 "
"0,9928 "
"0,9989 "
"0,9991 "
"0,9991 "
"0,9990 "
" "
"M "
"0,9805 "
"0,9913 "
"0,9928 "
"1,0000 "
"0,9933 "
"0,9879 "
"0,9896 "
"0,9912 "
" "
"N "
"0,9956 "
"0,9993 "
"0,9989 "
"0,9933 "
"1,0000 "
"0,9987 "
"0,9993 "
"0,9986 "
" "
"O "
"0,9986 "
"0,9987 "
"0,9991 "
"0,9879 "
"0,9987 "
"1,0000 "
"0,9998 "
"0,9988 "
" "
"P "
"0,9976 "
"0,9987 "
"0,9991 "
"0,9896 "
"0,9993 "
"0,9998 "
"1,0000 "
"0,9993 "
" "
"Q "
"0,9949 "
"0,9969 "
"0,9990 "
"0,9912 "
"0,9986 "
"0,9988 "
"0,9993 "
"1,0000 "
" "


"Tabla 3.8.- Distancia euclidiana entre los coeficientes de la "
"regresión múltiple para las estaciones de la red MACAM-2. "
" "
" "
"B "
"F "
"L "
"M "
"N "
"O "
"P "
"Q "
" "
"B "
"0,00 "
"0,01 "
"0,01 "
"0,03 "
"0,02 "
"0,01 "
"0,01 "
"0,01 "
" "
"F "
"0,01 "
"0,00 "
"0,00 "
"0,03 "
"0,00 "
"0,00 "
"0,00 "
"0,01 "
" "
"L "
"0,01 "
"0,00 "
"0,00 "
"0,03 "
"0,00 "
"0,01 "
"0,00 "
"0,00 "
" "
"M "
"0,03 "
"0,03 "
"0,03 "
"0,00 "
"0,03 "
"0,03 "
"0,03 "
"0,03 "
" "
"N "
"0,02 "
"0,00 "
"0,00 "
"0,03 "
"0,00 "
"0,01 "
"0,00 "
"0,00 "
" "
"O "
"0,01 "
"0,00 "
"0,01 "
"0,03 "
"0,01 "
"0,00 "
"0,00 "
"0,01 "
" "
"P "
"0,01 "
"0,00 "
"0,00 "
"0,03 "
"0,00 "
"0,00 "
"0,00 "
"0,00 "
" "
"Q "
"0,01 "
"0,01 "
"0,00 "
"0,03 "
"0,00 "
"0,01 "
"0,00 "
"0,00 "
" "


" "
" "
"Figura 3.16.-Zonas de isocomportamiento de los valores máximos de"
"concentración de Ozono Troposférico en la ciudad de Santiago "
"durante el año 2001. "

Finalmente, el modelo generado es





donde C(t+1) representa la concentración máxima diaria del día de
mañana, 3(t) representa la concentración máxima media de ozono de la
serie de tiempo suavizada del día de hoy, T(t) representa la temperatura
media diaria, P(t) la presión media diaria reducida al nivel del mar,
NHEM(t) representa el numero de horas que se excedió la norma el día de hoy
y HM(t) representa la hora en la cual se registra la máxima concentración
diaria.

Las figuras 3.17 a la 3.24 muestran, los gráficos de dispersión entre
los valores predichos y los medidos, la correlación efectuada entre ambas
series para cada una de las estaciones de la red de monitoreo de la calidad
del aire MACAM-2. En ellas se observa que los coeficientes de
determinación varían entre un rango de 0.53 y 0.68.
Tabla 3.9.- Número total de casos por clases de índice de calidad del aire.
Estos representan bueno(1), regular(2) y malo(3). El símbolo representa
el valor medio.
"Indice "
"Figura 3.17.- Relación entre los valores medidos y estimados "
"por el modelo para la estación B. "
" "
"Figura 3.18.- Relación entre los valores medidos y estimados "
"por el modelo para la estación F. "
" "
"Figura 3.19.- Relación entre los valores medidos y estimados "
"por el modelo para la estación L. "
" "
"Figura 3.20.- Relación entre los valores medidos y estimados "
"por el modelo para la estación M. "
" "
"Figura 3.21.- Relación entre los valores medidos y estimados "
"por el modelo para la estación N. "
" "
"Figura 3.22.- Relación entre los valores medidos y predichos "
"por el modelo para la estación O. "


" "
"Figura 3.23.- Relación entre los valores medidos y predichos "
"por el modelo para la estación P. "
" "
"Figura 3.24.- Relación entre los valores medidos y predichos "
"por el modelo para la estación Q. "
3.3. Hora de ocurrencia de la concentración máxima de ozono troposferico


Del análisis de los datos aportados por las diversas estaciones de la
red MACAM-2 RM (Tabla 3.1) es posible observar que la hora en que ocurre
el valor máximo de concentración es variable en el espacio. En efecto, la
figura 3.25 muestra la moda de la hora de ocurrencia de la máxima, y es
posible apreciar el hecho anterior.


" "
"Figura 3.25.- Valor medio y modal de la hora de ocurrencia de la "
"concentración máxima de Ozono troposférico para la red de "
"Monitoreo MACAM-2 para el año 2001. "

Se observa que la hora media en la cual ocurre el máximo de
concentración de Ozono troposférico fue a las 13:45 horas. El lapso de
tiempo en la cual se registraban las concentraciones medias máximas del
presente contaminante fluctuaban entre las 12:30 horas (estación B), y
las 14:15 horas (estación M), y su hora modal máxima interanual
registrada era a las 13:53 horas, en las cuales se registro que la hora a
la cual se registraba las máximas concentraciones oscilaba entre las 13:00
horas (estación B), y a las 14:30 horas (estación O). Esto se debe a que el
Ozono, como se menciono anteriormente, es un contaminante de naturaleza
fotoquímica, el que en presencia de una mayor radiación solar incidente en
superficie, activa su mecanismo de generación.

" "
"Figura 3.26.- Distribución espacial de la hora modal de "
"ocurrencia de la concentración máxima de Ozono troposférico en la"
"ciudad de Santiago de Chile para el año 1998. "
" "
"Figura 3.27.- Distribución espacial de la hora modal de "
"ocurrencia de la concentración máxima de Ozono troposférico en la"
"ciudad de Santiago de Chile para el año 1999. "
" "
"Figura 3.28.- Distribución espacial de la hora modal de "
"ocurrencia de la concentración máxima de Ozono troposférico en la"
"ciudad de Santiago de Chile para el año 2000. "
" "
"Figura 3.29.- Distribución espacial de la hora modal de "
"ocurrencia de la concentración máxima de Ozono troposférico en la"
"ciudad de Santiago de Chile para el año 2001. "

En las figuras 3.26 a 3.29 se observa la distribución de la hora modal
en la cual se registra las mayores concentraciones de Ozono troposférico.
Cabe destacar que lo variado de la topografía presente en la Cuenca de
Santiago propicia un calentamiento diferenciado de la cuenca, el cual
regula la dinámica local de los vientos. Se cree que la dirección de los
vientos es un indicador de la hora en la cual se dan los máximos de
concentración. Normalmente durante el día, se desarrollan brisas que soplan
por los valles hacia la precordillera, alcanzando su mayor intensidad por
la tarde. Durante la noche, producto del enfriamiento superficial, en
especial en las laderas de cerros, se produce una delgada capa de aire de
mayor densidad que se desliza pendiente abajo, canalizándose hacia los
valles. Por lo general la brisa nocturna es más débil que el flujo diurno y
las direcciones predominantes son de sentido inverso. La figura 3.30
muestra las direcciones predominantes del viento observado en la ciudad de
Santiago de Chile para las (a) tardes de invierno, (b) noches de invierno,
(c) tardes de verano y (d) noches de verano. En las tardes de invierno,
predomina el flujo del suroeste, observándose, sin embargo, que hacia el
norponiente muestra una dirección más cercana al sur. Durante la noche, el
aire se escurre siguiendo las pendientes de las laderas de los cerros.


" "
"Figura 3.30.- Direcciones predominantes del viento observados en la "
"ciudad de Santiago de Chile. Se observan (a) tardes de invierno, (b)"
"noches de invierno, (c) tardes de verano y (d) noches de verano. "

Durante el verano, cuándo el problema del ozono es mayor, las
direcciones predominantes por la tarde son del suroeste, observándose
direcciones sur en el sector norponiente.
3.4 Caracterización espacial del contaminante

De igual forma como se evaluó la distribución espacial de hora de
ocurrencia de las concentraciones máximas, se evalúa además la distribución
espacial de los valores de la concentración de Ozono troposférico para los
años 1998 a 2001, en la ciudad de Santiago de Chile. Como se ha mencionado
anteriormente los valores horarios de de Ozono troposférico son
recopilados por la red de monitoreo ambiental de la calidad del aire,
MACAM, dependiente del Servicio de Salud Metropolitano del Ambiente de la
Región Metropolitana. A partir de esta base de datos se calcularon los
valores máximos de concentración para cada día del año y para cada estación
de la red. Los valores son obtenidos por interpolación espacial tipo
Kriging (Henil; Et al, 2004) y generados con el programa SURFER.


" "
"Figura 3.31.- Distribución espacial de la concentración máxima "
"absoluta diaria de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago"
"(ppb) para el año 1998. "
" "
"Figura 3.32.- Distribución espacial de la concentración máxima "
"absoluta diaria de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago"
"(ppb) para el año 1999. "
" "
"Figura 3.33.- Distribución espacial de la concentración máxima "
"absoluta diaria de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago"
"(ppb) para el año 2000. "
" "
"Figura 3.34.- Distribución espacial de la concentración máxima "
"absoluta diaria de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago"
"(ppb) para el año 2001. "

Se observa en las figuras 3.31 a 3.34, que la dispersión de la
concentración máxima absoluta diaria de ozono, responde en la cuenca a
factores de altitud y campo de vientos, como se ha mencionado
reiterativamente. Esto ocurre independientemente de la localización de las
fuentes generadoras de los precursores de ozono, debido a que el factor de
la dinámica de los vientos presente en la cuenca, genera un trasporte de
los precursores del contaminante en función de la dirección del flujo, y
además de forma inmediata se observa la estratificación de las
concentraciones máximas de ozono en la cuenca de Santiago, con respecto a
la altura, la cual de forma intrínseca involucra a factores como la
radiación solar incidente en superficie.




" "
"Figura 3.35.- Distribución espacial de la concentración máxima "
"media anual de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago "
"(ppb) para el año 1998. "
" "
"Figura 3.36.- Distribución espacial de la concentración máxima "
"media anual de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago "
"(ppb) para el año 1999. "
" "
"Figura 3.37.- Distribución espacial de la concentración máxima "
"media anual de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago "
"(ppb) para el año 2000. "
" "
"Figura 3.38.- Distribución espacial de la concentración máxima "
"media anual de Ozono troposférico, para la ciudad de Santiago "
"(ppb) para el año 2001. "


De analizar las figuras 3.35 a 3.38, se observa que las
concentraciones máximas medias anuales de ozono en la cuenca de Santiago
experimentan un aumento a mayor altitud. También es importante mencionar
que la circulación local de vientos imperantes en la cuenca, modela las
concentraciones de los precursores de ozono, producto del transporte hacia
las zonas en las cuales se experimenta un gran calentamiento superficial y
se registra durante en día una mayor cantidad de radiación solar incidente.





Las áreas que se ven afectadas por un alto nivel de concentración de
ozono son lugares destinados para oficinas y habitación los cuales cuentan
con áreas de equipamiento urbano y red vial muy bien desarrollados con un
alto índice de espacios verdes por habitantes. Lo anterior indicaría que la
generación y dispersión de ozono en la cuenca de Santiago es un fenómeno
que obedece a factores meteorológicos y fisiográficos, como la forma del
campo de vientos imperante en la cuenca. Sin embargo las fuentes de
precursores de ozono es principalmente antrópica. A modo de ejemplo, se ha
observado que los valores máximos absolutos para estos años son altos, los
valores fluctúan entre 95 ppb y 210 ppb, comparado con la norma fijada
para nuestro país, al instante de efectuar la presente memoria de 80 ppb;
se aprecia que los valores se exceden entre un 19 % a 163 % a la norma
nacional.



4.0 CONCLUSIONES

La concentración máxima diaria de Ozono troposférico pudo ser modelada
a través de una combinación lineal de factores meteorológicos como la
presión media diaria, la temperatura media diaria, la temperatura del
punto de rocío, la velocidad del viento media diaria; y factores no
meteorológicos, como el numero de horas en la cual se registra la
excedencia de ozono y la hora a la cual se registra la máxima
concentración de ozono.


El Lugar de Presión Máxima (LPM) considerado como un elemento de
características geométricas espaciales, que resulta del análisis
meteorológico de las cartas sinópticas de superficie, es un descriptor
climático de relevancia, sin embargo no es capaz de explicar el
comportamiento de la concentración máxima diaria del Ozono
troposférico en la ciudad de Santiago de Chile.


El modelo diseñado se muestra satisfactorio al comparar los valores
medidos con los estimados, con coeficientes de determinación entre
0.53 y 0.68.

El presente modelo posee una buena capacidad de pronosticar episodios
buenos (83 % aciertos), a regulares (67 % aciertos), pero una
nula capacidad de pronosticas episodios malos de contaminación.

Las variables tomadas para el presente modelo son de carácter
indirecto, debido a que no participan directamente en la naturaleza
fotoquímica del contaminante como lo serian la insolación, radiación
solar en superficie, nubosidad, concentración preexistente de
diversos óxidos de nitrógeno, altura y exposición a la cual se
registra el contaminante. Es posible que al acoplar un modelo
fotoquímico al modelo propuesto los resultados mejoren de forma
considerable, pero están fuera del alcance de esta memoria.

La distribución espacial de las concentraciones máximas de ozono tiene
un comportamiento bastante definido, caracterizado principalmente por
el campo de vientos, la altura y la hora del día en cada punto al
interior de la cuenca.


Estos resultados pueden ser utilizados para cuantificar el riesgo
espacial para la salud orientado a la población de la ciudad.

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Memoria para optar al Titulo
Profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables