Caracterización de episodios de ozono troposféríco en Galicia mediante la aplicación de distintas técnicas de simulación e interpretación de datos de campo

Resumo

El ozono es un importante constituyente químico de la atmósfera y, en concreto, el ozono troposférico representa un papel clave en la capacidad oxidante de la atmósfera. Este ozono troposférico se genera preferentemente a partir de la disociación fotoquímica del dióxido de nitrógeno NO2 y su posterior unión con el oxígeno molecular O2. Las principales fuentes y sumideros de ozono en la troposfera se corresponden con el intercambio de masas de aire entre la estratosfera y la troposfera, la producción o destrucción fotoquímica in-situ y la deposición seca. Sus niveles de fondo en la troposfera se han modificado durante el último siglo, debido a las emisiones antropogénicas de precursores de ozono, de modo que actualmente el ozono es un contaminante monitorizado en la mayoría de las regiones continentales industrializadas y con una elevada población. Además, durante los últimos años, se han registrado episodios de contaminación fotoquímica con elevadas concentraciones de ozono troposférico en muchas zonas rurales en diferentes regiones del globo, situadas lejos de áreas industriales y urbanas. En la península Ibérica la presencia de ozono troposférico es considerable en todas las regiones, afectando sobre todo a las áreas periféricas y mediterráneas (Millán et al., 1991). Esta notable inmisión de ozono se debe tanto al importante nivel de emisión de precursores asociado al grado de desarrollo industrial, como a las características meteorológicas y climáticas típicas de la península, con condiciones óptimas para el desarrollo de procesos fotoquímicos y la generación de ozono. A pesar de que este producto puede ser ya considerado como uno de los principales contaminantes atmosféricos en nuestro país, la distribución de los estudios sobre contaminación fotoquímica es muy irregular en la península Ibérica en general y en España en particular. En Galicia, situada en el noroeste peninsular, los estudios sobre contaminación por ozono troposférico son muy escasos (Peña et al., 2000), siendo esta zona la menos analizada a nivel peninsular, junto con la parte oeste de la cornisa cantábrica (Asturias y Cantabria). La razón principal de esta carencia de análisis radica en los bajos niveles medios de ozono registrados en el norte en comparación con la mitad sur y el este de la península Ibérica. Estos niveles medios inferiores de ozono derivan de las condiciones climáticas de estas regiones, claramente menos favorables a la generación fotoquímica de ozono. Sin embargo, durante la época estival y primaveral no son infrecuentes episodios fotoquímicos con altos niveles de ozono, al coincidir factores meteorológicos propicios con precursores fotoquímicos que favorecen el desarrollo de concentraciones potencialmente elevadas de ozono. Como consecuencia, la posibilidad de aparición de episodios de contaminación fotoquímica en estas áreas durante los meses más calurosos del año no es despreciable, sobre todo si se tiene en cuenta el tráfico creciente y la importante industrialización del litoral norte en los últimos años (Saavedra et al., 2007). Este trabajo de investigación que se presenta para la obtención del título de Doctor se enmarca dentro del escenario descrito, pretendiendo contribuir al conocimiento de la situación actual de la contaminación fotoquímica en Galicia, teniendo en cuenta los escasos registros de ozono troposférico existentes en la Comunidad Autónoma. De acuerdo con ello, los objetivos de la tesis están dirigidos hacia tres aspectos complementarios, como son: a) Describir la evolución temporal de los niveles de ozono en la Comunidad Gallega, analizando sus patrones de variabilidad diaria, estacional e interanual, y compararla con la evolución dominante en regiones próximas. 2 b) Establecer la influencia de la climatología sinóptica en el desarrollo de episodios de contaminación fotoquímica en el noroeste peninsular. c) Establecer las principales causas de los episodios de contaminación fotoquímica con elevados niveles de ozono que se producen en Galicia, distinguiendo entre episodios provocados principalmente por la generación fotoquímica local y episodios con una influencia importante del transporte de ozono desde regiones limítrofes. Para alcanzar estos objetivos, se recogieron datos horarios de ozono y otros precursores fotoquímicos como NOx en las estaciones de calidad de aire disponibles en la Comunidad Gallega, durante el período temporal comprendido entre Enero de 2002 y Agosto de 2007. Las principales redes de medición que suministraron los datos empleados fueron la Red Gallega de Calidad de Aire (ocho estaciones de medida de ozono, de las cuales cinco registran ozono de forma continua), la Red Española de Vigilancia de la Contaminación Atmosférica de Fondo (una estación EMEP en el territorio gallego y dos en las regiones limítrofes) y la Red de Calidad de Aire de Portugal (dos estaciones rurales seleccionadas en la región norte de Portugal). Tras la recopilación de datos de inmisión, se estableció una metodología destinada a lograr los objetivos mencionados, que se describe a continuación. La evolución temporal de los niveles de ozono en Galicia se derivó del análisis de las series temporales de ozono citadas, estableciendo comparaciones entre las estaciones utilizadas y analizando sus tendencias en relación a otras estaciones europeas citadas en la bibliografía. El estudio episódico comenzó con la identificación de períodos con altos niveles de inmisión de ozono superficial, siendo el criterio principal para su consideración como episodio fotoquímico la presencia de un valor umbral horario de 150 mg/m3 en cualquiera de las estaciones analizadas en Galicia. Con estos criterios se identificaron 32 episodios significativos. Teniendo en cuenta que los procesos implicados en la generación de ozono experimentan retardos muy variables dependiendo de las condiciones meteorológicas y las concentraciones de precursores, se fijó una duración mínima de siete días para cada episodio, tomando como punto central la jornada con la inmisión máxima de ozono troposférico. Tras la selección de los episodios y el establecimiento de su duración, se comenzó por el análisis de las condiciones sinópticas dominantes durante cada uno de ellos, para determinar los patrones sinópticos característicos de cada episodio. La clasificación sinóptica de episodios se estableció únicamente en función de la jornada que registraba la concentración de inmisión máxima de ozono troposférico, y se siguió una clasificación de carácter subjetivo, en concreto la publicada por Font Tullot para la península Ibérica (Font-Tullot, 1983). Una vez obtenida esta clasificación, se realizó un breve análisis de los principales tipos sinópticos relacionados con la existencia de altos niveles de contaminación fotoquímica en Galicia. Relacionado con el análisis sinóptico, se realizó la simulación de retrotrayectorias (Draxler y Hess, 1997) de las masas de aire desde el instante central de cada episodio; a partir de estas retrotrayectorias de tres días de duración se realizó una nueva clasificación de los episodios de ozono, en función del recorrido de las masas de aire en los días previos al registro de la concentración máxima de ozono en cada uno de ellos. Esta clasificación se ha utilizado para establecer las rutas más frecuentes del transporte atmosférico de ozono troposférico hacia la zona de estudio, contribuyendo así a identificar y evaluar el potencial contaminante de regiones distantes, que pueden constituir posibles focos de la contaminación fotoquímica en el norte de Galicia. El tercer aspecto del análisis episódico se centró en el estudio de las condiciones meteorológicas locales dominantes durante el desarrollo de los episodios. Se presenta una breve descripción de la meteorología local propia de los principales tipos sinópticos relacionados con ocurrencia de episodios de contaminación fotoquímica, y posteriormente un análisis de las variables meteorológicas con una mayor influencia en la generación fotoquímica, dispersión y transporte de ozono, como temperatura, intensidad y dirección de viento, radiación solar y precipitación. 3 En el caso de episodios con comportamientos locales singulares se desarrollaron simulaciones meteorológicas de alta resolución con el modelo MM5, a fin de reproducir los fenómenos meteorológicos locales que previsiblemente tuvieron una influencia significativa en los niveles de ozono troposférico. Así, la circulación de brisas marinas de poniente en oposición a la circulación sinóptica de componente E de algunos episodios destacó como un fenómeno local de especial interés (Carvalho et al., 2006), debido a la creación de una célula de recirculación que incrementa los niveles superficiales de ozono. Una vez analizada la información meteorológica, tanto a nivel sinóptico como a nivel regional y local, se estudió la evolución temporal de las concentraciones horarias de inmisión de ozono y óxidos de nitrógeno en cada episodio, tratando de buscar patrones de comportamiento repetidos. A partir de la evolución del ozono durante los períodos diurnos y nocturnos se obtuvo una nueva clasificación de episodios, basada respectivamente en la duración de las concentraciones máximas y en la persistencia del ozono registrado durante la noche. Finalmente se recogieron resultados de simulaciones meteorológicas y de calidad de aire de diferentes modelos europeos de predicción de calidad de aire, como EURAD (Memmesheimer et al., 2001) y CHIMERE (Prev¿Air, 2009), para facilitar la integración de toda la información anterior y completar con datos sintéticos la evolución temporal y distribución espacial del ozono troposférico en aquellas zonas en las cuales no se dispone de medidas. Como resultado final se formularon y analizaron diversas hipótesis que permiten explicar las causas de los niveles de ozono registrados durante los períodos seleccionados, a partir de los datos procesados previamente. Se establece de este modo la posible procedencia del ozono medido en cada episodio, diferenciando entre la generación local y el transporte alóctono de ozono. En este último caso, se ha buscado la identificación de las regiones geográficas que actúan como áreas fuente del ozono que llega a la Comunidad Gallega.