La medición de la contaminación del aire es el proceso de recolección y medición de los componentes de la contaminación del aire , en particular los gases y las partículas . Los primeros dispositivos utilizados para medir la contaminación incluyen pluviómetros (en estudios de lluvia ácida ), diagramas de Ringelmann para medir el humo y simples colectores de hollín y polvo conocidos como medidores de depósitos . [1] La medición moderna de la contaminación del aire está en gran parte 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 tiene muchas causas. En los entornos urbanos, puede contener muchos componentes, en particular partículas sólidas y líquidas (como el hollín de los motores y las cenizas volantes que escapan de los incineradores) y numerosos gases diferentes (los más comunes son el dióxido de azufre , los óxidos de nitrógeno y el monóxido de carbono , todos relacionados con la combustión de combustibles ). Estas diferentes formas de contaminación tienen diferentes efectos en la salud de las personas, en el mundo natural (el agua, el suelo, los cultivos, los 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 (establecidos por reguladores como la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) o las pautas recomendadas por organismos como la Organización Mundial de la Salud (OMS). [3] Según la OMS, más de 6000 ciudades en 117 países monitorean ahora rutinariamente la calidad de su aire. [4]
La contaminación del aire se mide (en términos generales) de dos maneras diferentes: pasiva o activa. [5]
Los dispositivos pasivos son relativamente simples y de bajo costo. [6] Funcionan absorbiendo o recolectando 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 parece similar a un tubo de ensayo de laboratorio y se fija a algo así como un poste de luz para absorber uno o más gases contaminantes específicos de interés. Después de un período de tiempo, el tubo se baja y se envía a un laboratorio para su análisis. Los medidores de depósitos , 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 activa son automáticos o semiautomáticos y tienden a ser más complejos y sofisticados que los dispositivos pasivos, aunque no siempre son más sensibles o confiables. [6] Utilizan ventiladores para aspirar el aire, filtrarlo y analizarlo automáticamente en ese momento o recolectarlo y almacenarlo para analizarlo más tarde 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 cuánta de una determinada longitud de onda de luz absorbe. Los métodos químicos cambian la muestra de alguna manera, a través de 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 varían 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 ponibles) y conectados a Internet , como Air Quality Egg y PurpleAir. [9] Estos toman muestras de partículas y gases de forma constante y producen mediciones moderadamente precisas, casi en tiempo real, que pueden analizarse mediante aplicaciones para teléfonos inteligentes. [10] Sus datos también se pueden utilizar de forma colaborativa , ya sea solos o con otros datos de contaminación, para crear mapas de contaminación en áreas amplias. [11] [12] Se pueden utilizar tanto para entornos interiores como exteriores y la mayoría se centra en la medición de cinco formas comunes de contaminación del aire: ozono , material particulado , monóxido de carbono , dióxido de azufre y dióxido de nitrógeno . [13] Algunos miden contaminantes menos comunes, como el gas radón y el formaldehído . [14]
Los sensores de este tipo solían ser caros, pero en la década de 2010 se observó una tendencia hacia dispositivos portátiles más económicos que las personas pueden usar para monitorear los niveles de calidad del aire local, que ahora a veces se conocen informalmente como sensores de bajo costo (LCS). [9] [15] Una revisión reciente del Centro Común de Investigación de la Comisión Europea identificó 112 ejemplos, fabricados por 77 fabricantes diferentes. [16]
Los sensores personales pueden ayudar a las personas y a las comunidades a 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 la UCSD entregó sensores portátiles de contaminación del aire a 16 pasajeros y encontró "valles urbanos" donde los edificios atrapaban la contaminación. El grupo también descubrió que los pasajeros de los autobuses tienen una mayor exposición que los de los automóviles. [18]
A diferencia de los monitores de bajo costo, que se llevan de un lugar a otro, los monitores estáticos toman muestras y miden continuamente la calidad del aire en un lugar urbano en particular. Los lugares públicos, como las estaciones de tren concurridas, a veces tienen monitores activos de calidad del aire fijados permanentemente junto a los andenes 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 contaminantes y partículas y tienen pequeñas lámparas en la parte superior que cambian de color de rojo a verde para indicar qué tan saludable es el aire en las cercanías. [20]
En el extremo opuesto del espectro de los sensores de bajo coste se encuentran las grandes y muy caras estaciones de monitorización estáticas situadas en la calle que toman muestras constantemente de los distintos contaminantes que se encuentran habitualmente en el aire urbano para las autoridades locales y que conforman los sistemas de monitorización metropolitanos, como la Red de Calidad del Aire de Londres [21] y una red británica más amplia denominada Red Automática Urbana y Rural (AURN). [22] En los Estados Unidos, la EPA mantiene un repositorio 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 del Medio Ambiente recoge sus datos sobre la calidad del aire de 3.500 estaciones de monitorización repartidas por todo el continente. [24]
Las mediciones que realizan estos sensores, 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 estáticos a gran escala y los sensores portátiles a 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 para detectar el 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 ganado considerable atención como una 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, a través de métodos como la correlación de filtros de gas. [30] Entre los primeros esfuerzos de monitoreo de la contaminación por satélite se encuentran GOME (Experimento de Monitoreo Global del Ozono), que midió los niveles globales (troposféricos) de ozono desde el Satélite Europeo de Teledetección (ERS-2) de la ESA en 1995, [31] y MAPS (Mapping Pollution with Satellites) de la NASA, que midió la distribución de monóxido de carbono en la atmósfera inferior de la Tierra, también en la década de 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 que se utilizan para medir la contaminación incluyen la cromatografía de gases ; diversas formas de espectrometría , espectroscopia y espectrofotometría ; y la fotometría de llama .
Hasta finales del siglo XX, la cantidad de hollín producido por algo como una chimenea se medía a menudo visualmente, y de forma relativamente rudimentaria, sosteniendo en alto unas tarjetas con líneas trazadas para indicar distintos tonos de gris. Estas se conocían como tablas de Ringelmann , en honor a su inventor, Max Ringelmann , y medían el humo en una escala de seis puntos. [33]
En las estaciones de control de la contaminación modernas, las partículas gruesas (PM 10 ) y finas (PM 2,5 ) se miden utilizando 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 recogidas se acumulan en él. Las partículas también se pueden medir utilizando otros tipos de muestreadores de material particulado , incluidos los fotodetectores ópticos , que miden la luz reflejada de las muestras de luz (las partículas más grandes reflejan más luz) y el análisis gravimétrico (recogido en filtros y pesado). [34] El carbono negro se mide generalmente ópticamente con instrumentos de tipo Aethalometer . [35]
Las partículas ultrafinas (más pequeñas que PM 0,1 , por lo que generalmente tienen un diámetro inferior a 100 nanómetros) son difíciles de detectar y medir con algunas de estas técnicas. Por lo general, se miden (o cuentan) con contadores de partículas por condensación , que agrandan eficazmente las partículas al condensar vapores sobre ellas para formar gotitas 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] Se puede medir de forma manual o automática a través del método de Griess-Saltzman, como se especifica en ISO 6768:1998, [41] [42] o el método de Jacobs-Hocheiser. [43]
También se puede medir de forma automática y mucho más rápida 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 monitorea continuamente mediante quimioluminiscencia. [44]
El dióxido de azufre ( SO2 ) se mide mediante espectroscopia de fluorescencia . Esto implica disparar luz ultravioleta a una muestra del aire y medir la fluorescencia producida. [45] Los espectrofotómetros de absorción también se utilizan para medir el SO2 . 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 la absorción de luz infrarroja no dispersiva (NDIR) basada en 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 observando 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), NMHC (hidrocarburos no metánicos) y emisiones de THC (hidrocarburos totales) (donde THC es la suma de CH
4y emisiones de NMHC). [51]
Amoniaco ( NH
3) se puede medir mediante diversos métodos, incluida la quimioluminiscencia. [53]
La contaminación del aire también se puede evaluar de forma 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 se expresa generalmente como concentración , medida en notación de partes por (generalmente partes por billón, ppb, o partes por millón, ppm, también conocida como relación de mezcla de volumen ), o microgramos por metro cúbico (μg/m³). Es relativamente simple convertir una de estas unidades en la otra, teniendo en cuenta los diferentes pesos moleculares de los distintos 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 utilizan comúnmente para mediciones tanto de contaminantes gaseosos, como dióxido de nitrógeno, como de partículas gruesas (PM 10 ) y finas (PM 2,5 ). Una medición alternativa para partículas, el número de partículas , expresa la concentración en términos de la cantidad 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 de 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 del aire comunes (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 denominó) lluvia ácida después de recoger muestras de lluvia que resultaron contener cantidades significativas de azufre procedente de la quema de carbón. Según una cronología de la contaminación del aire elaborada por David Fowler y sus colegas, Smith fue "el primer científico que intentó realizar investigaciones multisituadas y multicontaminantes sobre 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, hicieron grandes avances en la medición y el control de la contaminación del aire mediante una red de medidores de depósitos . Owens también desarrolló una serie de nuevos métodos para medir la contaminación. [63]
En diciembre de 1952, la Gran Niebla de Londres provocó la muerte de 12.000 personas. [64] Este acontecimiento, y otros similares como la tragedia de la niebla tóxica de Donora en 1948 en los Estados Unidos, [65] se convirtieron en uno de los grandes puntos de inflexión en la historia medioambiental porque provocaron un replanteamiento radical del control de la contaminación. En el Reino Unido, la Gran Niebla de Londres condujo directamente a la Ley de Aire Limpio , que puede haber tenido consecuencias incluso de mayor alcance de lo que se pretendía originalmente. [66] Los acontecimientos catastróficos como este llevaron a que la contaminación se midiera y controlara de forma mucho más rigurosa. [62]