La medición de la contaminación del aire es el proceso de recolectar y medir los componentes de la contaminación del aire , en particular gases y partículas . Los primeros dispositivos utilizados para medir la contaminación incluyen pluviómetros (en estudios de lluvia ácida ), tablas de Ringelmann para medir el humo y simples recolectores de hollín y polvo conocidos como pluviómetros . [1] La medición moderna de la contaminación del aire está en gran medida automatizada y se lleva a cabo utilizando muchos dispositivos y técnicas diferentes. Estos van desde simples tubos de ensayo absorbentes conocidos como tubos de difusión hasta sensores químicos y físicos altamente sofisticados que brindan mediciones de contaminación casi en tiempo real, que se utilizan para generar índices de calidad del aire .
La contaminación del aire es causada por muchas cosas. En entornos urbanos, puede contener muchos componentes, en particular partículas sólidas y líquidas (como el hollín de los motores y las cenizas volantes que se escapan de los incineradores) y numerosos gases diferentes (más comúnmente dióxido de azufre , óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono , todos relacionados con el combustible). combustión ). Estas diferentes formas de contaminación tienen diferentes efectos en la salud de las personas, en el mundo natural (agua, suelo, cultivos, árboles y otra vegetación) y en el entorno construido. [2] Medir la contaminación del aire es el primer paso para identificar sus causas y luego reducirlas o regularlas para mantener la calidad del aire dentro de los límites legales (exigidos por reguladores como la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos) o las pautas de asesoramiento sugeridas por organismos como la Organización Mundial de la Salud (OMS). [3] Según la OMS, más de 6.000 ciudades en 117 países controlan actualmente de forma rutinaria la calidad del aire. [4]
La contaminación del aire se mide (en términos generales) de dos maneras diferentes: pasiva o activamente. [5]
Los dispositivos pasivos son relativamente simples y de bajo costo. [6] Funcionan absorbiendo o recogiendo pasivamente una muestra del aire ambiente, que luego debe analizarse en un laboratorio. Una de las formas más comunes de medición pasiva es el tubo de difusión , que tiene un aspecto similar a un tubo de ensayo de laboratorio y está sujeto a algo parecido a un poste de luz para absorber uno o más gases contaminantes específicos de interés. Después de un tiempo, el tubo se retira y se envía a un laboratorio para su análisis. Los medidores de depósito , una de las formas más antiguas de medición de la contaminación, son otro tipo de dispositivo pasivo. [7] Son grandes embudos que recogen hollín u otras partículas y las drenan en botellas de muestreo, que, nuevamente, deben analizarse en un laboratorio. [7]
Los dispositivos de medición activos son automatizados o semiautomáticos y tienden a ser más complejos y sofisticados que los dispositivos pasivos, aunque no siempre son más sensibles o confiables. [6] Usan ventiladores para aspirar el aire, filtrarlo y analizarlo automáticamente en ese momento o recolectarlo y almacenarlo para su posterior análisis en un laboratorio. Los sensores activos utilizan métodos físicos o químicos. [8] Los métodos físicos miden una muestra de aire sin cambiarla, por ejemplo, viendo qué cantidad de una determinada longitud de onda de luz absorbe. Los métodos químicos cambian la muestra de alguna manera, mediante una reacción química, y la miden. La mayoría de los sensores automatizados de calidad del aire son ejemplos de medición activa. [5]
Los sensores de calidad del aire van desde pequeños dispositivos portátiles hasta estaciones de monitoreo estático a gran escala en áreas urbanas y dispositivos de monitoreo remoto utilizados en aviones y satélites espaciales.
En un extremo de la escala, hay sensores de contaminación del aire pequeños, económicos, portátiles (y a veces portátiles) conectados a Internet , como Air Quality Egg y PurpleAir. [9] Estos muestrean constantemente partículas y gases y producen mediciones moderadamente precisas, casi en tiempo real, que pueden analizarse mediante aplicaciones de teléfonos inteligentes. [10] Sus datos también se pueden utilizar de forma colaborativa , ya sea solos o con otros datos de contaminación, para construir mapas de contaminación en áreas amplias. [11] [12] Se pueden utilizar tanto para ambientes interiores como exteriores y la mayoría se centra en medir cinco formas comunes de contaminación del aire: ozono , partículas , monóxido de carbono , dióxido de azufre y dióxido de nitrógeno . [13] Algunos miden contaminantes menos comunes como el gas radón y el formaldehído . [14]
Sensores como este alguna vez fueron costosos, pero en la década de 2010 se vio una tendencia hacia dispositivos portátiles más baratos que las personas pueden usar para monitorear sus niveles locales de calidad del aire, que ahora a veces se denominan informalmente sensores de bajo costo (LCS). [9] [15] Una revisión reciente realizada por el Centro Común de Investigación de la Comisión Europea identificó 112 ejemplos, fabricados por 77 fabricantes diferentes. [dieciséis]
Los sensores personales pueden capacitar a las personas y las comunidades para comprender mejor sus entornos de exposición y los riesgos de la contaminación del aire. [17] Por ejemplo, un grupo de investigación dirigido por William Griswold en UCSD entregó sensores portátiles de contaminación del aire a 16 viajeros y encontró "valles urbanos" donde los edificios atrapaban la contaminación. El grupo también encontró que los pasajeros de los autobuses están más expuestos que los de los automóviles. [18]
A diferencia de los monitores de bajo costo, que se transportan de un lugar a otro, los monitores estáticos toman muestras y miden continuamente la calidad del aire en una ubicación urbana particular. Los lugares públicos, como las concurridas estaciones de ferrocarril, a veces tienen monitores activos de calidad del aire fijados permanentemente junto a las plataformas para medir los niveles de dióxido de nitrógeno y otros contaminantes. [19] Algunos monitores estáticos están diseñados para brindar información inmediata sobre la calidad del aire local. En Polonia, los monitores de aire EkoSłupek miden una variedad de gases y partículas contaminantes y tienen pequeñas lámparas en la parte superior que cambian de color de rojo a verde para indicar qué tan saludable es el aire cercano. [20]
En el extremo opuesto del espectro de los sensores de bajo costo se encuentran las grandes y muy costosas estaciones estáticas de monitoreo ubicadas en las calles, que constantemente toman muestras de los diferentes contaminantes que se encuentran comúnmente en el aire urbano para las autoridades locales y que conforman los sistemas de monitoreo metropolitanos como el London Air Quality Network [21] y una red británica más amplia denominada Red Urbana y Rural Automática (AURN). [22] En los Estados Unidos, la EPA mantiene un depósito de datos sobre la calidad del aire a través del Sistema de Calidad del Aire (AQS), donde almacena datos de más de 10.000 monitores. [23] La Agencia Europea de Medio Ambiente recopila sus datos sobre la calidad del aire de 3.500 estaciones de seguimiento en todo el continente. [24]
Las mediciones realizadas por sensores como estos, que son mucho más precisos, también son casi en tiempo real y se utilizan para generar índices de calidad del aire (ICA). Entre los dos extremos de los sensores portátiles estáticos a gran escala y los de pequeña escala se encuentran los monitores portátiles de tamaño mediano (a veces montados en grandes cajas con ruedas) e incluso integrados en camiones de muestreo "móviles de smog". [25]
Recientemente, los sistemas de detección de contaminación del aire desde vehículos han surgido como un enfoque prometedor para el monitoreo de la calidad del aire, utilizando sensores montados en taxis, autobuses, tranvías y otros vehículos. [26] En particular, los autobuses han atraído considerable atención como plataforma de detección móvil debido a su amplia disponibilidad y amplia cobertura geográfica. [27]
La calidad del aire también se puede medir de forma remota, desde el aire, mediante lidar , [28] drones , [29] y satélites, mediante métodos como la correlación de filtros de gas. [30] Entre los primeros esfuerzos de monitoreo de la contaminación por satélite se encuentran el GOME (Experimento de monitoreo global del ozono), que midió los niveles globales de ozono (troposférico) desde el satélite europeo de teledetección de la ESA (ERS-2) en 1995, [31] y el MAPS (Mapping) de la NASA. Pollution with Satellites), que midió la distribución del monóxido de carbono en la atmósfera inferior de la Tierra, también en los años 1990. [32]
Cada componente diferente de la contaminación del aire debe medirse mediante un proceso, equipo o reacción química diferente. Las técnicas de química analítica utilizadas para medir la contaminación incluyen la cromatografía de gases ; diversas formas de espectrometría , espectroscopia y espectrofotometría ; y fotometría de llama .
Hasta finales del siglo XX, la cantidad de hollín producida por algo como una chimenea se medía a menudo visualmente, y de manera relativamente tosca, sosteniendo tarjetas con líneas trazadas para indicar diferentes tonos de gris. Se conocían como gráficos de Ringelmann , en honor a su inventor, Max Ringelmann , y medían el humo en una escala de seis puntos. [33]
En las modernas estaciones de monitoreo de la contaminación, las partículas gruesas (PM 10 ) y finas (PM 2,5 ) se miden usando un dispositivo llamado microbalanza oscilante de elemento cónico (TEOM), basado en un tubo de vidrio que vibra más o menos a medida que las partículas recolectadas se acumulan en él. Las partículas también se pueden medir utilizando otros tipos de muestreadores de partículas , incluidos fotodetectores ópticos , que miden la luz reflejada de muestras de luz (las partículas más grandes reflejan más luz) y análisis gravimétricos (recogidos en filtros y pesados). [34] El carbono negro suele medirse ópticamente con instrumentos de tipo etalómetro . [35]
Las partículas ultrafinas (más pequeñas que PM 0,1 , por lo que generalmente tienen menos de 100 nanómetros de diámetro) son difíciles de detectar y medir con algunas de estas técnicas. Por lo general, se miden (o cuentan) con contadores de partículas de condensación , que efectivamente agrandan las partículas al condensar vapores sobre ellas para formar gotas más grandes y mucho más fáciles de detectar. [36] [37]
La composición atómica de muestras de partículas se puede medir con técnicas como la espectrometría de rayos X. [38]
Dióxido de nitrógeno ( NO
2) se puede medir pasivamente con tubos de difusión, aunque lleva tiempo recolectar muestras, analizarlas y producir resultados. [39] [40] Puede medirse de forma manual o automática mediante el método de Griess-Saltzman, tal como se especifica en la norma ISO 6768:1998, [41] [42] o el método de Jacobs-Hocheiser. [43]
También se puede medir automáticamente, mucho más rápidamente, mediante un analizador de quimioluminiscencia , que determina los niveles de óxido de nitrógeno a partir de la luz que emiten. En el Reino Unido, por ejemplo, hay más de 200 sitios donde NO
2Se controla continuamente mediante quimioluminiscencia. [44]
El dióxido de azufre ( SO 2 ) se mide mediante espectroscopia de fluorescencia . Esto implica disparar luz ultravioleta a una muestra de aire y medir la fluorescencia producida. [45] Los espectrofotómetros de absorción también se utilizan para medir SO 2 . Los analizadores fotométricos de llama se utilizan para medir otros compuestos de azufre en el aire. [46]
El monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO 2 ) se miden mediante absorción de luz infrarroja no dispersiva (NDIR) según la ley de Beer-Lambert . [47] El CO también se puede medir utilizando sensores de gel electroquímicos y detectores de semiconductores de óxido metálico (MOS). [48]
El ozono ( O 3 ) se mide viendo cuánta luz absorbe una muestra de aire ambiente. [49] Las concentraciones más altas de ozono absorben más luz según la ley de Beer-Lambert.
Estos se miden mediante cromatografía de gases e ionización de llama (GC-FID). [50]
Los hidrocarburos se pueden medir mediante cromatografía de gases y detectores de ionización de llama. [51] [52] A veces se expresan como mediciones separadas de metano ( CH
4), emisiones de NMHC (hidrocarburos distintos del metano) y de THC (hidrocarburos totales) (donde THC es la suma de CH
4y emisiones de NMHC). [51]
Amoníaco ( NH
3) se puede medir mediante varios métodos, incluida la quimioluminiscencia. [53]
La contaminación del aire también se puede evaluar de manera más cualitativa observando el efecto del aire contaminado en plantas en crecimiento como líquenes y musgos (un ejemplo de biomonitoreo ). [54] [55] [56] Algunos proyectos científicos han utilizado plantas especialmente cultivadas, como las fresas. [57]
La cantidad de contaminante presente en el aire generalmente se expresa como una concentración , medida en partes por notación (generalmente partes por mil millones, ppb, o partes por millón, ppm, también conocida como proporción de mezcla en volumen ), o microgramos por metro cúbico. (μg/m³). Es relativamente sencillo convertir una de estas unidades en la otra, teniendo en cuenta los diferentes pesos moleculares de los diferentes gases y sus temperaturas y presiones. [58]
Estas unidades expresan la concentración de contaminación del aire en términos de masa o volumen del contaminante, y se usan comúnmente para mediciones tanto de contaminantes gaseosos, como dióxido de nitrógeno, como de partículas gruesas (PM 10 ) y finas (PM 2,5 ). Una medida alternativa para las partículas, el número de partículas , expresa la concentración en términos del número de partículas por volumen de aire, lo que puede ser una forma más significativa de evaluar los daños a la salud de las partículas ultrafinas altamente tóxicas (PM 0,1 , menos de 0,1 μm) . en diámetro). [59] [60] El número de partículas se puede medir con equipos como contadores de partículas de condensación . [36] [37]
Los valores del índice de calidad del aire urbano (ICA) se calculan combinando o comparando las concentraciones de una "canasta" de contaminantes comunes del aire (normalmente ozono, monóxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y partículas finas y gruesas) para producir un único número. en una escala fácil de entender (y a menudo codificada por colores). [61]
La contaminación del aire se midió sistemáticamente por primera vez en Gran Bretaña en el siglo XIX. En 1852, el químico escocés Robert Angus Smith descubrió (y le dio nombre) a la lluvia ácida después de recolectar muestras de lluvia que resultaron contener cantidades significativas de azufre procedente de la quema de carbón. Según una cronología de la contaminación del aire realizada por David Fowler y sus colegas, Smith fue "el primer científico en intentar investigaciones en múltiples sitios y múltiples contaminantes de la climatología química de la atmósfera contaminada". [62]
A principios del siglo XX, el médico e ingeniero ambiental irlandés John Switzer Owens y el Comité para la Investigación de la Contaminación Atmosférica, del que era secretario, avanzaron enormemente en la medición y el seguimiento de la contaminación del aire utilizando una red de medidores de depósito . Owens también desarrolló una serie de nuevos métodos para medir la contaminación. [63]
En diciembre de 1952, el Gran Smog de Londres provocó la muerte de 12.000 personas. [64] Este evento, y otros similares, como la tragedia del smog de Donora en 1948 en los Estados Unidos, [65] se convirtieron en uno de los grandes puntos de inflexión en la historia ambiental porque provocaron un replanteamiento radical del control de la contaminación. En el Reino Unido, el Gran Smog de Londres condujo directamente a la Ley de Aire Limpio , que puede haber tenido consecuencias aún más trascendentales de lo que se pretendía originalmente. [66] Eventos catastróficos como este llevaron a que la contaminación se midiera y controlara mucho más rigurosamente. [62]