Dentro del Programa de Contaminación Atmosférica se viene trabajando en tres sublíneas de investigación, con la suficiente identidad para ser diferenciadas como áreas de investigación, que son, Química Atmosférica, Dinámica de contaminantes (I+D), Dinámica de contaminantes (aplicación).

Además en los dos últimos años, se ha venido acentuando los esfuerzos en la Modelización (Meteorológica y Fotoquímica) y el Desarrollo Tecnológico, estos tres temas tienen la consideración de grupos emergentes hasta que alcancen la identidad de área de investigación.

A continuación se detallan las actividades desarrolladas en el ejercicio 2009

I.- ÁREA DE QUÍMICA ATMOSFÉRICA

En los últimos años, prácticamente todos los países europeos se han encontrado con problemas del llamado smog fotoquímico en los días cálidos y soleados de verano. En muchos de ellos se ha registrado un gran daño en la vegetación que en parte está relacionado con las elevadas concentraciones de foto-oxidantes, y de ozono en particular.

Los compuestos emitidos a la atmósfera tienen repercusión en la calidad del aire, en la salud humana, cambios en la producción agrícola, efectos en la vegetación y degradación de materiales, etc. Estos efectos se traducen en mayor gasto social en sanidad, un significativo impacto en la calidad de vida, el conocido cambio climático y sus implicaciones, etc.

Por ello, existe cada vez más una concienciación de la importancia del estudio de tales transformaciones químicas. A su vez se han financiado en las últimas décadas programas encaminados a la investigación en este campo. Aún así, es generalmente aceptado que el estado del conocimiento necesario para desarrollar estrategias de control eficientes, bajo las diferentes condiciones que prevalecen en Europa, es todavía inadecuado. Los mecanismos químicos no se encuentran todavía suficientemente desarrollados y no ofrecen una base científica sólida para poder predecir de forma fiable la formación de foto-oxidantes.

EUPHORE constituye, en este ámbito, una de las mayores instalaciones de investigación de Europa con una destacable infraestructura analítica dedicada a la investigación de procesos atmosféricos. La finalidad con la que fue creada es, y sigue siendo, proporcionar a los científicos atmosféricos, tanto europeos como del resto del mundo, una plataforma en la que poder abordar los problemas medioambientales relacionados con la química de formación de contaminantes en la troposfera.

Fig. 1.- Simuladores atmosféricos EUPHORE.

Gracias a simuladores fotoquímicos como EUPHORE, reacciones que ocurren en sistemas complejos como la atmósfera pueden ser investigadas directamente a través del estudio de sistemas simplificados que permiten obtener datos cinéticos detallados. La finalidad es pues, poder utilizar tales datos para entender mejor los procesos que tienen lugar en la atmósfera y poder modelizarlos.

En el área de química atmosférica, a diferencia de lo que ocurre en EUPHORE, la investigación desarrollada a nivel de laboratorio presenta una serie de limitaciones derivadas del hecho de que se trata de pequeños reactores y utilizan luz artificial, por lo que se trabaja en condiciones no realistas. Sin embargo, EUPHORE presenta importantes ventajas con respecto a los ensayos de laboratorio y a otras cámaras de simulación existentes:

1º Condiciones muy similares a la realidad están garantizadas por el gran volumen de los simuladores (200 m3 cada uno).

2º  Los simuladores se irradian con luz solar.

Por otro lado, el uso compartido de los simuladores, a través de colaboraciones con otras instituciones internacionales, hace que estas instalaciones sirvan como centro de referencia para la química atmosférica en Europa y favorecen el intercambio de conocimientos entre los científicos implicados.

Su uso científico se ha materializado durante estos años a través de proyectos de investigación. Las instalaciones mantienen una fuerte interacción con la Unión Europea (a través de los Programas Marco), con los organismos nacionales (mediante proyectos del Plan Nacional y/o proyectos dependientes de la Generalitat Valenciana) y con la industria.

Este programa se estructura principalmente en cuatro líneas:

- Transformaciones químicas en la troposfera.

- Explotación de los simuladores atmosféricos EUPHORE.

- Divulgación científica y mejoras instrumentales.

- Formación/recursos humanos

-        Transformaciones químicas en la troposfera.

Objetivo/Definición Estudio de las transformaciones químicas de los compuestos emitidos a la atmósfera y su impacto ambiental en la troposfera.

Se estudian los procesos de oxidación y foto-oxidación de distintos compuestos que afectan, en mayor o menor medida, a la calidad del aire (por ejemplo, incrementando los niveles de ozono troposférico). La evaluación del impacto de ciertos compuestos como pesticidas, hidrocarburos aromáticos y aerosoles sobre la capacidad oxidante de la atmósfera sometida a la influencia de las emisiones antropogénicas, es de gran importancia a la hora de diseñar estrategias de control de la contaminación atmosférica.

Fig. 2.- Emisiones a la atmósfera.

Otra parte de la actividad desarrollada en EUPHORE, es también la validación de instrumentación y métodos de análisis de especies químicas, tanto precursores como productos e intermedios de reacción, para su uso posterior en campañas de medida en campo y para la modelización de los sistemas químicos reactivos en la atmósfera.

Resultados destacables. 

a) Comportamiento atmosférico de pesticidas.

Dentro del proyecto ECOPEST, durante 2009 se han continuado con los experimentos correspondientes a la determinación de las constantes de fotólisis, de reacción con radical OH y con ozono, con el objeto de conocer el tiempo de vida de estos compuestos en la troposfera, así como experimentos encaminados a la determinación de posibles productos de reacción de varios pesticidas, que en algunos casos pueden llegar a ser más persistentes y tóxicos que los propios compuestos de partida. Se ha comprobado que la mayoría de los pesticidas estudiados formaron aerosoles secundarios y/o ozono.

Así mismo, dentro del marco del mismo proyecto, durante el año 2009, se ha continuado con la realización de muestreos en campo iniciada en el año 2008. Se han mantenido los mismos puntos de muestreo: Benicarló, Benifaió, Morella y Villar del Arzobispo. No obstante, se han llevado a cabo algunas modificaciones respecto a los volúmenes muestreados, ampliando el tiempo de muestreo (de 4 a 24 horas) y aumentando el caudal para los muestreos en fase gas. Así mismo, se han probado otros soportes, además de los utilizados en la campaña del año anterior.

Se ha completado el análisis de todos los datos obtenidos durante la campaña del año 2008 y se han iniciado los correspondientes al año 2009.

b) Mecanismo auxiliar

Para estudiar el efecto que las paredes del fotorreactor tienen sobre los mecanismos químicos estudiados en los simuladores atmosféricos EUPHORE se llevaron a cabo las siguientes tareas:

·        Búsqueda bibliográfica referente al estudio del mecanismo auxiliar tanto en EUPHORE como en otras cámaras de simulación (PSI-Suiza, SAPHIR-Alemania, CSIRO-Australia, SAPRC-USA, etc)

·        Elaboración del plan de experimentos y condiciones para la realización del estudio del mecanismo auxiliar en EUPHORE. En colaboración con el grupo de M. Pilling de la Universidad de Leeds, se plantearon un total de dieciséis experimentos, de los cuales se decidió comenzar con los correspondientes a la reacción de eteno con baja y alta concentración de NOx.

·        Revisión experimentos de eteno realizados anteriormente en EUPHORE y recopilación de los datos disponibles.

·        Ejecución de las simulaciones de eteno+NOx previas a los experimentos utilizando para ello el Master Chemical Mechanism (MCM v3.1) y las concentraciones iniciales establecidas en el plan de experimentos.

·        Realización de tres de los experimentos planteados en la Cámara A durante la primera semana del mes de agosto; 1) blanco, 2) eteno+Alto NOx y 3) eteno+Bajo NOx.

·        Análisis de los resultados obtenidos con LIF, FTIR, monitores de HONO, HCHO, NOx, Ozono, CO, GC-FID/ECD, SMPS, espectroradiómetro BENTHAM y JNO₂.

·        Ejecución de las primeras simulaciones utilizando para ello las condiciones experimentales reales y comparación con los resultados obtenidos en cuanto especies secundarias.

c)  Intercomparación de aerosoles

Como parte de una de las actividades del EUROCHAMP, en concreto del tercer paquete de trabajo de una de las actividades de investigación conjuntas (JRA2-WP3), el grupo ha liderado junto con el Dr. Jens Hjorth del Institute for Environment and Sustainability (IES) de la Comisión Europea (Joint Research Centre, ISPRA) una intercomparación de modelos de aerosoles.

El ejercicio ha consistido en la simulación de datos experimentales de formación de Aerosoles Orgánicos Secundarios (AOS) obtenidos en diferentes cámaras con el objeto de obtener una estimación de las incertidumbres de los modelos de predicción de formación de AOS y de obtener una base para analizar las diferencias entre los diferentes modelos. La idea básica es que no sólo los modelos son diferentes, también las cámaras muestran diferencias en su diseño, operación e infraestructura de medidas. Por medio de este tipo de actividades, se puede obtener información útil para la validación de los modelos, así como sobre artefactos en las diferentes cámaras de simulación y sus efectos sobre las actividades de modelización.

Iniciar un ejercicio de estas características, ha tenido ciertas dificultades, derivadas de la propia naturaleza del mismo. Además de las dificultades derivadas de intercomparar modelos, habida cuenta de que están basados en diferentes hipótesis y asunciones, hay que añadir las diferentes cámaras, cada una con una caracterización diferente. No obstante, el ejercicio durante su fase en el EUROCHAMP-I ha acabado con resultados preliminares de mucho interés. El ejercicio preliminar realizado ha culminado con las siguientes conclusiones:

·        Sería importante establecer vínculos de comunicación entre los modelizadores y los científicos a cargo de las cámaras, con objeto de asegurar que la información relevante (que puede ayudar a mejorar las predicciones de los modelos) es conocida por los modelizadores.

·        El análisis de los resultados demuestra que sería conveniente obtener un mejor conocimiento de procesos de deposición en las paredes, en particular para los compuestos orgánicos semivolátiles. Este aspecto también parece tener una influencia importante para mejorar las simulaciones de formación de AOS en cámaras. También una adecuada caracterización de las fuentes de luz de algunas cámaras (especialmente las que funcionan con luz artificial), ha sido identificado como una carencia importante.

Se ha recomendado que en el contexto del EUROCHAMP-2 se continúe con las actividades de intercomparación de datos, aprovechándonos de las posibilidades ofrecidas por la base de datos del EUROCHAMP.

Se prevee que este ejercicio tenga una continuidad en la segunda parte del EUROCHAMP, part II (2009-2013), llevando a cabo las actividades que se han considerado como necesarias. Empezando por las tareas a completar que se han identificado:

Tareas realizadas:

·        Se ha ampliado el número de modelistas/modelos participantes

·        Decisión final sobre los experimentos a incluir en la Intercomparación, atendiendo a las discusiones con los modelizadores, intentando adaptarlas a las condiciones de operación de los modelos

·        Los datos de EUPHORE se han sometido a un importante proceso de control de la calidad. En algunos casos se han vuelto a tratar datos, en casos en los que surgían dudas sobre los datos disponibles de determinadas especies, o se han detectado que no estaban disponibles datos esenciales para la correcta modelización

·        Los datos han sido modelizados y los modelos comparados con los datos obtenidos para intentar detectar deficiencias.

·        Estos datos se han puesto en común y discutido en un ejercicio de Intercomparación de aerosoles llevado a cabo en Arona (Italia), Abril 2009.

MODELOS Y MODELISTAS PARTICIPANTES EN EL EJERCICIO PRELIMINAR DE INTERCOMPARACIÓN DE AEROSOLES

-        Explotación de los simuladores atmosféricos EUPHORE.

Objetivo/Definición Los simuladores atmosféricos EUPHORE constituyen una instalación especialmente diseñada para el estudio de los procesos químicos en condiciones atmosféricas. Estas cámaras permiten poder realizar estudios en condiciones que simulan a las reales. Tienen alta versatilidad sobre la clase de compuesto y mezcla a estudiar así como sobre el tipo de experimento a realizar.

Desde su puesta en funcionamiento, un objetivo importante ha sido la utilización de los simuladores por grupos de investigación en Química Atmosférica de diferentes países europeos e incluso de Estados Unidos a través de proyectos de investigación. El grupo de Química Atmosférica de la Fundación les asesora tanto en el uso técnico de la instalación como en el diseño de experimentos y en la interpretación de los resultados. Asimismo está a cargo de la instrumentación analítica, toma de muestra y en la mayoría de las ocasiones, del tratamiento de los datos.

Resultados destacables

En el año 2009 se han llevado a cabo en las cámaras de simulación de EUPHORE las siguientes campañas de medida por parte de grupos externos:

a)  Estudio de la ozonólisis de los alkenos durante la campaña TRAPOZ2 (Total Radical Production and Degradation Products from Alkene Ozonolysis), que completaba la realizada por el mismo grupo durante el 2008, de cuatro semanas de duración que se llevó a cabo durante el mes de mayo del 2009, en colaboración con el grupo liderado por el Dr. William Bloss de la Universidad de Birmingham y con la participación de grupos de las Universidades de Leeds y Leicester, además del CEAM

Los alquenos son emitidos por la industria petroquímica, y algunos de ellos también proceden de emisiones biogénicas. El objetivo fue determinar la producción de radicales OH a partir de los alquenos expuestos a radiación solar en presencia de ozono, estudiando el efecto de la humedad en la generación de dichos radicales. Los compuestos estudiados fueron eteno, propeno, trans-2-buteno, cis-2-buteno, b-pineno, isobuteno, limoneno, myrceno, a-cedreno, 2-3 dimetil-2 buteno, metil chavycol, 1-buteno y a-pineno, bajo diferentes condiciones de humedad, concentración de monóxido de carbono y/o concentración de ciclohexano en el simulador atmosférico.

El seguimiento, tanto de estos compuestos como de los productos orgánicos generados durante la reacción, van a permitir investigar la producción de radicales en este tipo de reacciones así como los mecanismos químicos involucrados. Por último, los resultados obtenidos servirán para ajustar la predicción realizada por el MCM, modelo fotoquímico desarrollado en la Universidad de Birmingham.

b) Estudio de la degradación atmosférica de aminas dentro del proyecto Atmospheric Degradation of Amines –ADA- liderado por el Prof. Claus J. Nielsen de la Universidad del Oslo. Se realizaron dos campañas de medidas durante los meses de Mayo y Septiembre de 2009, de tres y dos semanas de duración respectivamente. Los compuestos estudiados fueron monoetanolamina (MEA), metilamina, dimetilamina, trimetilamina (normal y deuterada) y etilamina. Se llevaron a cabo experimentos de fotooxidación bajo diferentes condiciones: en presencia de NOx y a diferentes concentraciones iniciales, utilizando el ácido nitroso como agente oxidante, en ausencia de NOx, y con peróxido de hidrógeno como oxidante. El objetivo de estos experimentos fue la identificación y cuantificación de los productos de degradación en fase gas, así como también la caracterización y cuantificación de los aerosoles formados, ya que recientes estudios han revelado que la degradación fotoquímica de estos compuestos da lugar a efectos negativos en el medioambiente.

c) Estudio de la fotólisis del naftaleno y sus productos de degradación. Este proyecto ha sido liderado por John Wenger del Departamento de Química de University College Cork (Irlanda). Durante 2009 se realizó una campaña de dos semanas de duración durante el mes de Julio en la Cámara B, en la que se realizaron un total de diez experimentos de fotólisis del 1-naftaleno, ftaldehído y 1-nitro-naftaleno utilizando en alguno de ellos 1,3,5 trimetilbenceno como compuesto trazador de radicales OH y en otros CO como atrapador de dichos radicales. El objetivo de estos experimentos fue tanto la determinación de las frecuencias de fotólisis de estos compuestos como el cálculo del rendimiento de formación de aerosoles y productos secundarios, también se tomaron filtros de alto volumen para su posterior análisis con GC-MS. 

d)  Durante 2009 se ha realizado una campaña de medidas por parte de CIEMAT bajo la supervisión de la Dra. M. García Vivanco, para el chequeo de modelos de AOS frente a datos experimentales de cámaras de simulación. Para ello se han realizado una serie de 22 experimentos en los simuladores sobre la degradación fotoquímica de hidrocarburos antropogénicos y su formación de aerosoles. Los experimentos se han enfocado al estudio de:

-Decaimiento de mezclas de compuestos antropogénicos y biogénicos para la determinación de los mecanismos de degradación a diferentes niveles de concentración y de agente oxidante.

-Humedad a niveles realistas en la atmósfera (se han estudiado frente a experimentos realizados con aire seco, con fines comparativos).

-Variaciones de niveles de [NOx] y [NOx]/[VOC] en el rango de concentraciones en aire ambiente (manteniendo constantes otros parámetros experimentales).

El objetivo ha sido evaluar la capacidad de los modelos para simular la formación de productos en fase particulada y su partición entre las fases gas y sólida.

e) Intercomparación OH.

Durante el mes de abril se realizó una intercomparación de medida de radicales OH, dentro de las actividades previstas en el proyecto Eurochamp dentro del Work Package JRA1-WP3. Se instaló en la cámara A el instrumento CIMS (Chemical Ionization Mass Spectrometry) diseñado y construido por el Doctor Alexander Kukui del Service d' Aéronomie de París.

Se realizaron experimentos encaminados a generar una importante cantidad de radicales OH en la cámara. En el primero de ellos se introdujo ozono, agua y NO exponiendo posteriormente la mezcla a la luz solar, mientras que en el  segundo se introdujo agua, NO, CO y Formaldehído y de nuevo se expuso la mezcla a la luz.

Se tomaron medidas simultáneamente con el instrumento CIMS comentado anteriormente y con el instrumento LIF (Laser Induced Fluorescence) del EUPHORE. Los dos instrumentos reproducen los mismos perfiles de concentración de radicales OH, pero hay una desavenencia en la cantidad de radicales medidos en uno de los experimentos. El valor dado por el LIF es un orden de magnitud superior al del CIMS. No se ha podido el origen de esta diferencia. Se piensa en una interferencia sobre alguno de los dos instrumentos.

Dado que ambas técnicas necesitan de una calibración para comprobar el estado de los instrumentos previa a la toma de medidas, el segundo día se montó la celda de calibración del CIMS sobre el LIF y se puso éste a medir. Los resultados reproducen la señal generada en el sistema de calibración del CIMS de manera satisfactoria. El montaje complementario no se pudo realizar por razones estructurales (no era posible fijar la celda de calibración del LIF sobre el CIMS).

f) Estudio de evaluación de la metodología de muestreo de disulfuro de carbono atmosférico en Torrelavega y de revisión y puesta a punto de otras técnicas alternativas para la medida de dicho compuesto     

Durante 2009 se ha realizado un estudio para el Centro de Investigación del Medio Ambiente (CIMA) Consejería de Medio Ambiente del Gobierno de Cantabria cuyos objetivos fueron:

-Búsqueda bibliográfica de métodos adecuados para la medida de CS₂.

-Evaluación de captadores activos alternativos y comerciales para el   muestreo de CS₂.

-Evaluación de metodologías  para la determinación de CS₂. Uso de los simuladores atmosféricos EUPHORE.

-Evaluación de metodologías  para la determinación de CS₂ en muestras ambientales.

-Conclusiones y protocolo propuesto.

-El objetivo ha sido evaluar la metodología que se emplea para los muestreos de CS₂ y proponer nuevas metodologías de análisis ya que la determinación de este compuesto es bastante compleja. Para ello se realizaron tanto test en laboratorio como en las cámaras de simulación EUPHORE. En el laboratorio se consiguió un método analítico por GC-MS sensible, reproducible y robusto para el análisis y muestreo en cartuchos de fase sólida (comerciales). En las cámaras de simulación se evaluaron diferentes condiciones experimentales, tomando como referencia la medida tomada por los sistemas ópticos FTIR y DOAS, para compararla con la obtenida por sistemas off-line de cogida de muestra. Se llevaron a cabo un total de 6 experimentos, varios de los cuales fueron calibrados en diferentes rangos de concentración de CS₂ para evaluar las diferentes técnicas. El resto sirvieron para evaluar la efectividad de los cartuchos ante diferentes condiciones: con humedad relativa en la cámara de simulación y con la presencia de especies interferentes (H2S y SO2).

Tras las conclusiones obtenidas a partir de los experimentos llevados a cabo, se plantearon una serie de propuestas para continuar mejorando en el estudio del CS₂.

g) Campaña TOXIC. Durante el mes de Julio, dentro de las actividades transnacionales del proyecto Eurochamp2, se llevó a cabo una campaña de dos semanas de duración en la que, liderados por el Prof. M. Pilling de la Universidad de Leeds (Reino Unido) participaron miembros de otras cuatro instituciones como fueron las universidades de Leicester y York de Reino Unido, Wuppertal (Alemania) y Cork (Irlanda). El principal objetivo de esta campaña fue el estudio de los procesos de oxidación del tolueno. Este compuesto es de especial importancia debido a su elevada contribución en las emisiones de compuestos aromáticos de origen antropogénico, además, debido a sus características fotoquímicas el tolueno puede utilizarse como modelo para el estudio de la degradación de compuestos aromáticos derivados del benceno. Además de realizar experimentos bajo diferentes condiciones NOx/VOCs también se estudiaron otros subsistemas de oxidación del tolueno como el 4-metil-catecol o el e-butendial.   

-        Desarrollo tecnológico.

Objetivo/Definición Para un mayor entendimiento de la química atmosférica es primordial el intercambio de conocimientos adquiridos con otras Instituciones de relevancia. En este sentido, dentro del proyecto EUROCHAMP se ha desarrollado una base de datos, de la cual EUPHORE es el coordinador, que recoge información sobre experimentos realizados en cámaras de simulación atmosférica, de forma que sean accesibles a sus miembros y, por extensión, a la comunidad científica.

El proyecto integra las más importantes cámaras de reacción medioambientales en Europa para el estudio de procesos atmosféricos en una infraestructura a nivel europeo. El consorcio de miembros aporta su experiencia y conocimiento en química atmosférica a investigadores de diferentes disciplinas, responsables de definir directrices y normativas futuras, y ofrecen una infraestructura que puede ser usada por las partes interesadas para solucionar una amplia variedad de problemas relacionados con la ciencia atmosférica.

Los principales objetivos específicos del proyecto son:

- Adopción de una serie de iniciativas en pro de una colaboración multidisciplinaria efectiva entre la comunidad de científicos atmosféricos y científicos de otras disciplinas cercanamente relacionadas, a través de las tres actividades interenlazadas del EUROCHAMP.

- Mejora y optimización de la eficiencia de las infraestructuras implicadas en el proyecto. Con objeto de conseguir este objetivo, dos actividades de investigación interrelacionadas han sido definidas en el programa de trabajo del EUROCHAMP2: el desarrollo y refinamiento de equipos analíticos y el desarrollo de técnicas químicas de modelización.

- Dentro de las dos actividades combinadas de investigación, se ha realizado un progreso significativo hacia el avance en el desarrollo y diseño de instrumentación novel y el desarrollo de modelos químicos.

Cubriendo estos aspectos, la base de datos, que es operativa desde 2005, contiene información sobre intercomparación de instrumentos, química en fase gaseosa y estudios de aerosoles. Durante el EUROCHAMP 2 se deben acometer mejoras de dicha base de datos, tanto a nivel de funcionamiento, como de la política de uso, así como la introducción de nuevos módulos. En estos momentos la base de datos tiene 58 usuarios registrados y 568 registros procedentes de las 13 instituciones integradas en el proyecto.

La base de datos es accesible desde la página principal del proyecto http://www.eurochamp.org en el link database o directamente desde http://eurochamp-database.es

Desde el comienzo del EUROCHAMP2 en mayo de 2009, la base de datos ha recibido 681 visitas de usuarios registrados y 575 por parte de usuarios sin registrar. La diferencia entre dichos tipos de usuarios es el nivel de accesibilidad a los datos, siendo mayor para los usuarios registrados.

Durante los primeros meses del EUROCHAMP2 se ha empezado la construcción de una base de datos de espectros infrarrojos. De momento está en pruebas y  no es accesible directamente desde la base de datos central, pero si desde http://euphore.es/FTIRReferences/index.htm

Además de las mejoras instrumentales desarrolladas dentro del marco del proyecto EUROCHAMP2, EUPHORE también realiza, como parte de su tarea investigadora, trabajos encaminados a la mejora de instrumentación, de métodos de muestreo y de nuevos métodos de análisis.

Resultados destacables

a) Con el objetivo de promocionar la base de datos, se presentó un poster en Portoroz (Eslovenia) en INTROP Final Conference Tropospheric Chemistry. Del 14 al 17 de abril de 2009: The Eurochamp Database of European Atmospheric Simulation Chambers. A. Muñoz,  E. Gómez-Alvarez,  J. Valero, M. Vázquez, M. Ródenas.

b) Se ha empezado a trabajar en el desarrollo de un software para el análisis automático de los datos de IR. Un poster con los trabajos previos se ha presentado en  Portoroz (Eslovenia) en INTROP Final Conference Tropospheric Chemistry. Del 14 al 17 de abril de 2009: Improvements in Spectroscopy data processing at EUPHORE. Faster production and better reliability of data analysis. M. Ródenas, E. Soria, J.D. Martín, B. Picquet-Varrault, J.F. Doussin

 

c) Se ha trabajado en el desarrollo de una interfaz gráfica para la modelización de los experimentos realizados en los simuladores atmosféricos EUPHORE. Esta interfaz se basa en un modelo de caja desarrollado por personal de la Universidad de Leeds y utiliza como mecanismo químico el Master Chemical Mechanism (MCM).

La interfaz evita la modificación directa del modelo de código por el usuario y permite una configuración fácil de sus parámetros.

Se han usado dos programas principalmente: Anjuta 1.2.4a (http://www.anjuta.org) y Glade 2.12.1 (http://glade.gnome.org).

Para mostrar los resultados del modelo la interface usa GNUplot v4.2 (http://www.gnuplot.info). El software tiene copyright pero se distribuye gratuitamente. Durante los próximos años se trabajará en la mejora de dicha interfaz

d) Preparación de la campaña FIONA (Intercomparación Formal de Instrumentos para la medida de Ácido Nitroso en aire). Se ha trabajado en la preparación de una campaña que tendrá lugar en 2010 con el objetivo de Intercomparar las técnicas actuales existentes capaces de determinar ácido nitroso mediante la medida simultánea bajo las mismas condiciones. Para ello se va a hacer uso de uno de los simuladores atmosféricos EUPHORE en el cual se han programado nueve experimentos representativos de las fuentes reales de HONO en la atmósfera. Para tener unos resultados objetivos, los 6 experimentos de intercomparación formal serán ciegos (nadie tendrá datos de otro instrumento que no sea el suyo durante el experimento). Esto permitirá, además de evaluar la respuesta de cada instrumento en términos de su límite de detección o período de muestreo, la identificación de las fuentes de interferencia que puedan afectar a cada técnica. Se va a contar con la participación de 14 grupos de diferentes instituciones europeas y norteamericanas, así como con un fabricante de equipos europeo y la instrumentación propia de EUPHORE.

Un póster con la descripción de la futura campaña se ha presentado en  Portoroz (Eslovenia) en INTROP Final Conference Tropospheric Chemistry. Del 14 al 17 de abril de 2009: Formal Intercomparison of Observations of Nitrous. Acid (FIONA) Technical Workshop. M. Ródenas, A. Muñoz, F. Alacreu, M.Millán

e) Se ha solventado un aspecto que repercutía en la calidad de la información de las bases de datos de EUPHORE: un problema clásico en el manejo de la información es el problema del mantenimiento de la coherencia que se da al manejar información redundante.

En las webs de EUPHORE se usa desde distintos puntos de vista información relativa a reactivos. Toda esa información, solapada en parte, se ha depurado y agrupado en una única fuente de datos ajustando su forma de presentación a los requisitos de cada uso, reduciendo así el coste de mantenimiento, evitando la incoherencia, el coste que conlleva la redundancia y centralizando en una única base de datos la gestión de la visión que de ella tiene cada web según su necesidad de saber.

f) En el año 2009 se ha aplicado la técnica de muestreo utilizando Microextracción en Fase Sólida a la determinación de carbonilos formados en la ozonolisis de alquenos, en mezclas de VOCs de origen antropogénico y biogénico y en experimentos e degradación de aromáticos, entre otros. La técnica puede resultar especialmente útil para la determinación de dicarbonilos insaturados cuya determinación analítica puede ser problemática debido a su reactividad fotoquímica y los bajos niveles de concentración a los que se forman. Se han llevado a cabo un número importante de calibrados para intentar mejorar las determinaciones cualitativas y cuantitativas que se pueden realizar. Las determinaciones que se realizan son de compuestos derivatizados sobre la fibra. Entre ellos es de destacar la calibración de estándares especiales sintetizados por la Universidad de Newcastle, por el grupo del Prof. Dr. Bernard Golding. Aunque todavía la determinación de los g-carbonilos insaturados no está completamente resuelta, se ha realizado un importante avance en la misma. Con objeto de mejorarla, se requieren estándares de más calidad, cuya síntesis se está considerando para futuros proyectos. La ampliación de la lista de compuestos derivatizados sobre los que se dispone de su espectro de masas, contribuirá también a la mejora de las determinaciones.

g): Dentro del contrato de CERACASA, se ha desarrollado un sistema control NOx para cámaras de simulación, que permite el control de la cantidad de óxidos de nitrógeno en las cámaras EUPHORE

h). Dentro del proyecto EUROCHAMP se ha construido un tubo de descarga para un láser de cobre de la marca comercial Oxford Lasers. Esto ha permitido reducción de costes, puesto que el Precio del repuesto original 10800 euros frente a los 1400 euros del tubo construido

i) Se ha desarrollado una Web y una base de datos de gestión de la información asociada a las modelizaciones realizadas en la fundación

-        Otras actividades.

Objetivo/Definición Una parte importante y un objetivo prioritario del grupo EUPHORE es la interacción científica con otras Instituciones de relevancia con el fin de realizar un intercambio de conocimientos, al tiempo que de colaborar en proyectos comunes. Atendiendo a dicha estrategia, el grupo también desempeña tareas de medida en campo. Ello permite, tras las adaptaciones necesarias, rentabilizar y versatilizar en gran medida la infraestructura existente.

Resultados destacables.

a)         Estudio de emisiones procedentes de masa forestal mediterránea bajo condiciones controladas del incendio, en el termino municipal de Ayora.

Durante el primer semestre del 2009 se realizaron una serie de quemas experimentales en el término municipal de Ayora para el estudio de las emisiones producidas por la quema forestal de especies mediterráneas, con la colaboración de diversas instituciones nacionales y grupos de la Fundación CEAM dentro del proyecto GRACCIE. En este sentido se diseñó una cámara donde se situaron todos los equipos de medidas de emisiones tanto para compuestos gaseosos como de material particulado forzando a pasar el humo producido por los incendios.

Los estudios en los que el grupo de EUPHORE participó consistieron en muestreo y análisis de los siguientes compuestos:

-   Cartuchos XAD-2 para el análisis de hidrocarburos en fase gas.

-   C18 para el análisis de compuestos orgánicos oxigenados en fase gas.

-   DNPH para el análisis de compuestos aldehídos y cetonas.

-   Filtros TSP y PM 10 para el muestreo de PAHs y orgánicos oxigenados en fase particulada.

II.- ÁREA DE DINÁMICA DE CONTAMINANTES I+D:

Se ha trabajado en dos vertientes:

-        Dispersión atmosférica de contaminantes.

Objetivo/Definición: El marco genérico de esta línea es la caracterización de los procesos meso-meteorológicos responsables del transporte y de la dispersión de contaminantes atmosféricos, utilizando medidas en campo, datos de torres meteorológicas y de estaciones de vigilancia de calidad del aire, y herramientas de modelización numérica (meso-meteorológica y de dispersión atmosférica).

Las principales actividades de investigación desarrolladas en esta línea se puede agrupar en tres grandes bloques temáticos: (a) la descripción de los procesos físicos que determinan la contaminación atmosférica en el entorno mediterráneo, (b) la caracterización de las sinergias y las interacciones entre las diferentes escalas meteorológicas, y (c) la adaptación y el uso integrado de metodologías, para la regionalización y la aplicación de modelos de calidad del aire y de dispersión de contaminantes atmosféricos en el entorno mediterráneo.

Cabe remarcar, el carácter interdisciplinar de algunas de las actividades que se desarrollan en esta línea, por lo que estas pueden incluir, en mayor o menor grado, la colaboración de áreas de conocimiento integradas en otras líneas y áreas de investigación dentro y fuera del Programa de Contaminación Atmosférica.

Resultados destacables:

a)   En el contexto del proyecto “Situación de la Calidad del Aire de las Comarcas del Norte de la Comunidad Valenciana”, se ha continuado con el análisis de la base de datos disponible (figuras 3 y 4).

Fig. 3.- Proporción de registros que superan el nivel umbral de 130 ug/m3 (50 ppb) alrededor de los distintos
 tramos característicos de la central térmica de Andorra.

Fig. 4.- Evolución interanual de los promedios de concentración registrada por el sensor COSPEC desde 1995 hasta 2009

b)   En el contexto del contrato con el Ministerio de Medio Ambiente relativo al ozono troposférico en la Península Ibérica, se ha colaborado en la elaboración del informe final de la campaña de medidas que tuvo lugar en Puertollano del 2 al 13 de Junio de 2008.

c)     En el contexto del proyecto europeo CIRCE – “Climate Change and Impact Research: the Mediterranean Environment”, se han finalizado satisfactoriamente las actividades previstas para el año 2009: “First scientific report on the atmospheric regimes in the Mediterranean Basin”. (figura 5).

Fig. 5.- Evolución interanual de la estacionalidad de la cantidad de vapor de agua precipitable en la cuenca Mediterránea.

d)   En el contexto del proyecto europeo CIRCE, se ha colaborado con el programa de Meteorología de la Fundación CEAM, con la Universidad del País Vasco (UPV) y con el Instituto Juan Almera de Barcelona (CSIC), en las tareas previstas en el proyecto para la anualidad 2009.

e)   Durante esta anualidad el colaborador de investigación Francisco Rovira ha finalizado el primer año de sus estudios de tercer ciclo conducentes a una tesis doctoral, en el marco de los trabajos que se están realizando en el proyecto europeo CIRCE.

f)    Se continúa participando y colaborando en la red de excelencia RETEMCA, “Modelización de la calidad del aire en España” (CTM2007-30877-E/TECNO),  coordinado por el CIEMAT.

g)   Participación y colaboración en la red temática MEDOC, "Meteorología del Mediterráneo Occidental" (CGL2007-29820-E/CLI. 2008-2010(renovable)). A través de él se está liderando la organización de las "Segundes Jornades de Meteorologia i Climatologia de la Mediterrània Occidental", que tendrán lugar en Valencia los días 11 y 12 de Marzo de 2010. Además de las tareas organizativas, el grupo ha diseñado y puesto en internet (en uno de los servidores de la Fundación CEAM) la página web de este congreso internacional:  http://80.24.165.149/2jmcmo/index_en.htm (figura 6). En este sentido, durante el último trimestre de 2009 se ha coordinado a las diez instituciones participantes en la Red Temática MEDOC, y solicitado (como Investigadores Principales) una acción complementaria al MICINN para la organización de Jornadas y Congresos Internacionales (Referencia de la acción complementaria solicitada: CGL2009-07949-E/CLI).

h)   En el contexto del proyecto del Plan Nacional de I+D (2004-2007) TRANSREG ("Estacionalidad de los procesos meteorológicos responsables del transporte regional de contaminantes atmosféricos" CGL2007-65359/CLI, 1/10/2007 - 31/09/2010), se ha diseñado y puesto en internet la página web del mismo: http://www.ceam.es/transreg/ y se ha finalizado la segunda anualidad. Durante la segunda anualidad se recibió una valoración “muy satisfactorio” del informe de seguimiento efectuado sobre las actividades de la primera anualidad.

Fig. 6.- Página Web de las segundas Jornadas de Meteorología y Climatología.

i)     Colaboración activa en la revista Tethys "Revista del Temps i el Clima de la Mediterrània Occidental" (http://www.tethys.cat/), formando parte del consejo editorial.

j)    Colaboración activa en la revista "Air, Soil and Water Research" (http://www.la-press.com/journal.php?journal_id=99), formando parte del consejo editorial.

k)   En colaboración con el grupo emergente de Desarrollo Tecnológico, y en el contexto del proyecto TRANSREG, se ha organizado y llevado a cabo cuatro campañas de campo (para la medida remota de NO₂ y SO₂) con tres COSPECs y un mini-DOAS (cedido por el Instituto de Tecnológico de Energías Renovables de Canarias, ITER), que tuvo lugar en los alrededores de Sagunto y Valencia (figura 7).

Fig. 7.- Medidas de NO2 obtenidas en sendas campañas experimentales relizadas en el marco del proyecto TRANSREG
en los entornos de Valencia (arriba) y Sagunto (abajo)

l)     Durante el ejercicio 2009, se ha continuado participando en la acción COST 728, asistiendo a las diferentes reuniones como expertos y como delegados Nacionales.

m)  Dentro del marco de la acción COST 728, y en colaboración con GURME ("GAW Urban Research Meteorology and Environment Project") y con la WMO ("World Meteorological Organization"), se ha contribuido en la redacción del texto de un documento titulado "Overview of Tools and Methods for Meteorological and Air Pollution Mesoscale Model Evaluation and User Training", y que ha sido editado por la Organización Meteorologica Mudial (WMO/TD-No 1457) y publicado en 2009.

n)   En el contexto del proyecto TRANSREG y del proyecto CIRCE, se ha analizado el modo de acumulación del vapor de agua y de contaminantes en la cuenca Mediterránea (figura 8), caracterizando la influencia que tiene la cuenca mediterránea en las lluvias torrenciales de centro y Este de Europa.

Fig. 8.- Modo de acumulación de vapor de agua en las cuencas Mediterráneas Occidental (WMB) y Oriental (EMB).

o)   Dentro del contexto del proyecto VALENCIA-CALIDAD, financiado por el Ayuntamiento de Valencia, se ha colaborado con el área de Dinámica de Contaminantes (Aplicación) y con el grupo emergente de Desarrollo Tecnológico, en el diseño y la ejecución sistemática de dieciocho campañas mensuales en el entorno de la ciudad de Valencia con un laboratorio móvil equipado con un COSPEC y un monitor de NO2. El objeto de estas campañas era caracterizar los niveles de fondo de NO2 provocados por el tráfico urbano y por la actividad portuaria (figura 9).

Fig. 9.- Promedios de NO2 registrados en la ciudad de Valencia durante diez meses de 2009.

p)   Se ha negociado y elaborado un contrato con las empresas CERACASA, S.A. y FMC-FORET S.A., por el que la Fundación CEAM realizará en el 2010 tareas relativas al análisis de la eficiencia en la reducción de NO2 atmosférico de su nueva gama de porcelánicos BIONICTILE® bajo condiciones atmosféricas representativas de entornos urbanos. Este contrato se llevará a cabo con la colaboración del EUPHORE.

-        Modelización Numérica.

Objetivo/Definición: La simulación numérica de la dinámica y de la química atmosférica constituye hoy en día una herramienta indispensable en el diagnóstico, análisis y predicción de la meteorología y de la calidad del aire. Por ello, esta nueva línea de trabajo (que comenzó en Junio de 2009), involucra transversalmente a los Programas de Investigación de Contaminación Atmosférica y de Meteorología.

Por todo ello, se ha planteado esta nueva línea de modelización numérica con los siguientes objetivos:

- Objetivo genérico: Profundizar, de manera armonizada, conjunta y eficiente, en:

a.    la progresiva regionalización de las herramientas de simulación mesoescalar en su aplicación en el entorno mediterráneo, considerando su especificidad y contribuyendo así al conocimiento de los procesos meteorológicos de interés.

b.    la incorporación, en el proceso de mejora de los modelos meteorológicos y fotoquímicos, del análisis de los procesos de transporte y dispersión de contaminantes en el entorno mediterráneo (típicamente realizados mediante simulaciones dispersivas de trazadores de oportunidad no reactivos).

c.     la incorporación, en el proceso de mejora de los modelos de calidad del aire, de estudios de mecanismos fotoquímicos (típicamente realizados a través de experimentos de laboratorio o medidas en el ambiente).

d.    el análisis de las interacciones físico-químicas (meteorología-química) identificadas en simulaciones numéricas efectuadas bajo condiciones realistas (y validadas con medidas), con el fin de ser incorporadas en el proceso de mejora de los modelos de calidad del aire y del conocimiento de los mecanismos químicos característicos del entorno mediterráneo.

e.    la elaboración de nuevos procedimientos y técnicas de validación y de evaluación de las simulaciones numéricas.

Resultados destacables:

a)   Con el objeto de armonizar las herramientas de modelización empleadas por los diferentes grupos de modelización, se ha conseguido la incorporación (durante el ejercicio 2009) de dos estudiantes en prácticas formativas externas (gestionadas por el ADEIT de la Universidad de Valencia), con coste cero para la Fundación. Las tareas definidas para estos estudiantes han sido diseñadas para cubrir algunas de las necesidades prioritarias identificadas y consensuadas entre los diferentes investigadores que emplean herramientas de modelización numérica dentro del CEAM. Los trabajos realizados por los estudiantes incorporados han sido los siguientes:

TRABAJO 1 (240 horas): Herramienta que permita conectar el modelo meteorológico RAMS con un modelo de emisiones atmosféricas y con el modelo fotoquímico CAMx. Estudiante : D. José Alejandro Bagan Debon. Tutor del trabajo: Núria Castell.

TRABAJO 2 (240 horas): Herramientas informáticas necesarias para la adaptación modelo de mecanismos químicos atmosféricos MCM (Master Chemical Mechanism) para ser ejecutado en base a una serie espacio-temporal de variables meteorológicas en estudios de calidad del aire en la cuenca mediterránea. Estudiante: Joseph Contreras Navarro. Tutor del trabajo: Mónica Vázquez.

b)   Se ha diseñado y programado una base de datos de la modelización efectuada en la Fundación hasta la fecha, y que sea susceptible de ser actualizada progresivamente (figura 10).

http://80.24.165.149/simulaciones/

c)    Se ha comenzado un proyecto europeo FUME “Forest fires under climate, social and economic changes in Europe, the Mediterranean and other fire-affected areas of the World”. En este proyecto, se coordinará (y trabajará de manera interdepartamental) el WP2.3: Fire and vegetation under extreme events (figura 11). Este paquete de trabajo incluye personal de Meteorología, de Dinámica de contaminantes I+D y de Investigación Forestal. Los dos primeros modelizando escenarios y procesos meteorológicos (modelo meteorológico RAMS) y el último modelizando el impacto que estos tienen en la dinámica de incendios en la Comunidad Valenciana (modelo de fuego, FARSITE).

d)     Se ha solicitado un proyecto interdepartamental de modelización numérica en la última convocatoria de proyectos de I+D convocada por el MICINN. Este proyecto lleva por título: “MODELISMOS: Modelización y análisis de los procesos mesometeorológicos de transporte y acumulación de contaminantes en el Mediterráneo Occidental y de su influencia sobre los mecanismos de degradación química”; y se ha solicitado con la participación directa de personal de los departamentos de Dinámica de Contaminantes (I+D), de Meteorología y de Química Atmosférica.

-        Redes de vigilancia de calidad del aire.

Objetivo/Definición

Las redes automáticas de vigilancia y control de la contaminación atmosférica son el principal instrumento que establece la normativa vigente a escala europea para la evaluación de la calidad del aire (Directiva 2008/50/CE). A partir de dicha evaluación, consistente en la revisión del grado de cumplimiento de los niveles de referencia definidos para un conjunto de contaminantes atmosféricos, se derivan las medidas para mejorar, o en su caso conservar, la calidad del aire en un territorio. Por otro lado, las bases de datos de las redes, con series temporales que se inician a mediados de los años 90 en la mayor parte las CCAA, son una valiosa fuente de información en el estudio de la dinámica de contaminantes. Entre otras cosas este conocimiento es fundamental para que las sucesivas normativas contemplen cada vez en mayor grado las condiciones específicas de la dinámica de contaminantes en la cuenca Mediterránea.

Consecuentemente el objetivo de los trabajos dedicados a la explotación de los datos de las redes es doble: i) por un lado, el desarrollo de una metodología para la optimización de las redes como herramienta de evaluación. Se pretende con ello dotar a los gestores públicos y privados de un instrumento eficaz para la gestión de la calidad del aire en el marco normativo vigente. ii) y complementariamente, el análisis de las series de datos de las redes se aplica también al estudio de la dinámica de contaminantes, en el contexto de varios de los proyectos de investigación llevados a cabo por la fundación.

Los aspectos principales involucrados en la explotación de datos de las redes son: interpretación de datos de concentración y variables meteorológicas en función de los factores que intervienen en su evolución, caracterización de patrones espacio-temporales y de situaciones episódicas, control de calidad de datos, y desarrollo de herramientas de software específico para el procesado y análisis de los datos.

Trabajos destacables.

I.         Colaboración con la D.G. de Calidad Ambiental y Cambio Climático de la Conselleria de Medio Ambiente, Agua, Urbanismo y Vivienda de la G. V. en la gestión de la calidad del aire de la C.Valenciana.

Esta colaboración iniciada en 1996 tiene por objeto el apoyo continuado en diferentes tareas de gestión de la Red de Vigilancia y Control de la Contaminación Atmosférica de la Comunidad Valenciana (R.V.C.C.A.). En estas tareas se trabaja estrechamente con técnicos de la Conselleria y con técnicos encargados del mantenimiento de la red. Los trabajos vinculados a esta colaboración proporcionan al CEAM un conocimiento directo del estado de la calidad del aire en la C.Valenciana, y la disponibilidad de una base de datos depurada y de calidad (duplicado de la base de datos oficial) abarcando el periodo 1994-2009 con registros diezminutales de 12 especies contaminantes y 7 variables meteorológicas en 51 emplazamientos de la C.V. Esta base de datos se utiliza de forma habitual en todos los trabajos de investigación llevados a cabo por la Fundación en los que la contaminación atmosférica juega algún papel.

Fig. 12.- Configuración de la red en 2009, y aspecto de algunas herramientas utilizadas
(arriba, softwatre para la validación de datos, y abajo uno de los formularios de la base de datos para seguimiento de incidencias en las estaciones).

 

Durante 2009 las tareas más relevantes en este capítulo han sido:

1.    Control de Calidad/Validación de datos de la R.V.C.C.A. de 2009. Elaboración de informes semanales y mensuales con los resultados de la validación e incidencias detectadas.

2.    Mejora del procedimiento aplicado con el establecimiento de una nueva categoría de incidencias de atención prioritaria para las cuales se incrementa el seguimiento (revisión e informe de la situación dos veces a la semana).

3.    Mejora continuada de las herramientas de software desarrolladas para la validación, y diseño de una nueva herramienta para la documentación de los trabajos de validación y seguimiento de incidencias de los equipos.

4.    Asistencia técnica para optimización de la red (selección de emplazamientos para nuevas estaciones o en traslados, análisis de la eficiencia de los equipos de medida, etc.). Elaboración de los informes correspondientes.

II. Contrato con el Ministerio de Medio Ambiente "ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA POR OZONO TROPOSFÉRICO EN ESPAÑA" (Ampliación a Julio 2007 - Julio 2009 de contrato anterior).

Este estudio, finalizado en Julio de 2009, tuvo por objeto el establecimiento de una metodología para la evaluación de la calidad del aire en España en relación con el ozono troposférico, conforme a los criterios establecidos en la directiva 2002/03/CE, y sobre la base de los resultados técnicos y científicos más recientes. Esta metodología, consistente en la aplicación de un procedimiento iterativo, es  susceptible de ser aplicada por los propios gestores de la calidad del aire. Los trabajos se han basado en el análisis de los datos históricos (1995-2007) de las redes de calidad del aire en España, y han implicado el desarrollo de herramientas de análisis y de procedimientos interpretativos.

En 2009 se han ejecutado los trabajos planificados en el cuarto semestre del 2º periodo bianual, y se ha elaborado el informe final del contrato: "Informe final. Estudio y evaluación de la contaminación atmosférica por ozono troposférico en España", y los dos documentos anexos: "El ozono troposférico en el sur de Europa: Aspectos dinámicos documentados en proyectos europeos" (Versión actualizada, 2009), y "Campaña de medidas experimentales en el entorno de Puertollano: Descripción de actuaciones y Resultados del análisis de los datos". Toda esta documentación se ha remitido al Ministerio de Mediambiente y Medio Rural y Marino, y se ha distribuido, de acuerdo con este, a todas las CCAA, a través del portal web creado para la difusión de los trabajos de este contrato. Los trabajos y resultados más relevantes derivados de este estudio han sido:

1.    Análisis de los niveles de ozono troposférico en España y caracterización de su comportamiento por áreas geográficas y cuencas aéreas (identificación de patrones de transporte de la masa aérea por las circulaciones de viento, que contribuyen a su vez en la configuración de patrones espacio-temporales característicos).

2.    Una propuesta de optimización de la red y la zonificación para cada CCAA, en relación con la vigilancia del ozono troposférico.

3.    Un documento-guia con la evidencia experimental acumulada sobre los procesos atmosféricos que dirigen la dinámica del ozono en la cuenca mediterránea occidental y en la Península Ibérica en particular.

4.    Realización de una campaña experimental y análisis de resultados para la interpretación de los elevados niveles de ozono en el área industrial de Puertollano (Ciudad Real).

III. Proyecto CALIOPE (Sistema de CALIdad del aire Operativo para España) en colaboración con BSC-CNS (Coordinador) , CSIC, y CIEMAT, para el Ministerio de Medio Ambiente. (Julio de 2008-Julio 2010)

El objetivo principal de este proyecto es profundizar en el desarrollo del “Sistema de CALIdad del aire Operativo para España (CALIOPE)” que permita el pronóstico operacional de la calidad del aire con elevada resolución espacial para la Península Ibérica, Islas Baleares e Islas Canarias con anidamientos en áreas urbanas con muy alta resolución. Este proyecto está precedido por una fase previa durante los años 2006 y 2007 (con extensión a los primeros seis meses del 2008) dedicada fundamentalmente al desarrollo del sistema. El nuevo proyecto plantea pasar a una fase de pronóstico operacional, con alta resolución espacial (1 km) y temporal (1 hora), mediante su implementación operativa en infraestructuras de supercomputación. Ello implica además, no solo ponerlo operativo -24 horas 365 días- sino, y especialmente, poder evaluar y ponderar la fiabilidad y capacidad del mismo como instrumento de ayuda a la gestión de la calidad del aire. En este último aspecto es donde se enmarca la función del CEAM en CALIOPE.

 

Fig. 15.- Portal web del proyecto (http://www.bsc.es/caliope/?q=node/2) y mapa del conjunto de estaciones
 seleccionadas para la validación del modelo (simulaciones vs. Medidas)

En el año 2009 las actividades del CEAM se han centrado en la realización de los trabajos previos necesarios para la tarea de validación del modelo. Como resultado de estos trabajos se dispone de los procedimientos y herramientas que permitirán comenzar con la labor de validación en cuanto se comience con la fase de pronóstico. Estos trabajos han consistido fundamentalmente en:

1.    Validación de la simulación CV2IP para el año 2004 realizada por el BSC como proceso previo a la fase de pronostico del modelo

2.    Recopilación de datos de calidad del aire disponibles en internet de las redes de las CC.AA., y formateo y reconstrucción de las series de datos de 2008 y 2009.

3.    Ampliación de las herramientas para la validación en fase operativa y revisión del conjunto de estaciones representativas para la validación.

IV. Contrato "Estudio de la Situación relativa a las concentraciones de Sulfuro de Carbono en Torrelavega" para el Centro de Investigación del Medio Ambiente de Cantabria (CIMA).

Los niveles permisibles de sulfuro de carbono (CS₂) en la atmósfera vienen regulados por el Decreto 833/1975. Pero debido a la escasa presencia de este compuesto en la actualidad (su emisión se asocia a procesos muy específicos en la fabricación de textiles), los criterios de vigilancia del CS₂ no han sido desarrollados la legislación posterior. Debido a ello el seguimiento de los niveles de CS₂ en Torrelavega, donde este contaminante si supone un problema ambiental, plantea dificultades relacionadas con la medida de sus concentraciones.

Para contribuir la mejora de la vigilancia de este compuesto el CEAM, a petición del CIMA ha diseñado un plan de trabajo en dos fases. La primera de ellas se ha llevado a cabo en 2009, y ha abordado dos aspectos diferentes: i) Estudio previo de la dinámica de los impactos de SH2 (trazador de CS2) asociados al penacho de la fuente emisora de CS2, y ii) Evaluación de la metodología de muestreo de CS2 y ensayo de técnicas alternativas en atmósfera controlada (lab. Euphore). La segunda fase comenzará en Junio de 2010, y consistirá en la realización de una campaña experimental de medidas de CS2 en Torrelavega (que se está planificando actualmente en base a los resultados de la primera fase).

Los trabajos relativos a la evaluación de la metodología de muestreo de CS2 se muestran dentro del bloque correspondiente al área de Química Atmosférica de este documento. En este apartado se resumen los relacionados con el estudio previo de la dinámica de los impactos de SH2. Los trabajos y resultados mas relevantes son:

1. Procesado y análisis de la base de datos de calidad del aire en Torrelavega, compuesta por 3 estaciones automáticas y una torre meteorológica, correspondiente al periodo 2003-2009  (incluye formateo, depuración y análisis de los datos)

2. Caracterización de la evolución diaria y estacional del penacho de la chimenea emisora, y planteamiento de hipótesis en cuanto a las condiciones atmosféricas que determinan sus concentraciones.

III.- ÁREA DE DINÁMICA DE CONTAMINANTES (APLICACIÓN):

Objetivo/Definición: La contaminación atmosférica se produce de forma inherente a la actividad humana, siendo una consecuencia no deseable del progreso tecnológico con la que se ha de convivir en cierto grado. Sólo en los últimos años ha alcanzado proporciones que amenazan con poner en peligro valores fundamentales de la propia civilización e incluso para el mismo equilibrio del planeta a escala global. No obstante, por la compleja naturaleza del sistema natural involucrado, la atmósfera, las soluciones a los problemas abordados requieren en muchos casos un conocimiento científico riguroso, más allá de aproximaciones simples o meramente voluntaristas. La conexión entre las emisiones a la atmósfera y los receptores últimos, ya se trate de ecosistemas naturales o del propio ser humano, se produce a través de procesos atmosféricos complejos y complicados, que involucran escalas muy diferentes, con continuas transformaciones físicas y químicas de las distintas especies.

En este sentido, la nueva normativa que se está generando a partir de la Comunidad Europea establece objetivos de calidad del aire cada vez más rigurosos para un horizonte relativamente próximo. Esto está poniendo a los Estados, y en general a las autoridades competentes, en la tesitura de adoptar medidas correctoras que permitan cumplir con los estándares propugnados. No obstante, preguntas relativamente simples de formular (dónde actuar, cuánto reducir, etc.) plantean problemas técnicos en ocasiones difíciles de abordar e incluso insatisfactoriamente resueltos dentro del actual conocimiento científico. Por otro lado, el exponencial desarrollo tecnológico de los últimos años está propiciando capacidades de medidas experimentales y de computación cada vez más potentes y asequibles, desarrollo que demanda igualmente de nuevas metodologías de aproximación a los problemas que integren mediciones y simulaciones numéricas. Adicionalmente, la legislación vigente en el estado español sobre calidad del aire se ha actualizado a partir de la transposición de las directivas europeas, que  introducen básicamente la necesidad de vigilar un número creciente de especies químicas, cumplir niveles de calidad muy exigentes y mantener una comunicación fluida hacia la sociedad en esta materia.

Resultados destacables:

En la línea de las directrices anteriores, la Fundación CEAM ha venido desarrollando durante el año 2009 trabajos relacionados con la dinámica de contaminantes en diferentes frentes, de los que ocupa un lugar destacado la caracterización del impacto debido a grandes complejos industriales. Esta actividad industrial, en ocasiones concentrada en grandes polígonos, plantea algunos de los problemas de mayor entidad al medio ambiente atmosférico. Tanto el control de las instalaciones existentes como la planificación de nuevas actividades requiere un conocimiento suficiente de los procesos a que se ven sometidas las emisiones gaseosas que producen. Igualmente se han retomado algunos trabajos relativos más específicos relativos a contaminación urbana, con características específicas que exigen también metodologías adecuadas para su investigación. En todos los casos, la coyuntura actual requiere un enfoque orientado no solamente hacia el diagnóstico, sino también hacia el desarrollo de medidas correctoras.

Se relacionan a continuación los principales proyectos en curso durante el ejercicio 2009 en la presente área de actividad.

Fig. 18.- Diferentes aspectos de los trabajos desarrollados en el ámbito del proyecto de caracterización del impacto olfativo en depuradoras: medida en una torre de desodorización (fotografía izquierda) y muestreo sistemático con captadores pasivos en una planta (derecha).

a) Durante el año 2009 se prosiguió con la tercera fase del proyecto “Estudio de la Dispersión de Olores en el Entorno de una Planta de Depuración de Aguas Residuales”, como continuación de la ya larga experiencia de trabajos anteriores. En continuidad de acciones anteriores, tres líneas principales se han tratado de reforzar en la planificación y ejecución de los presentes trabajos:

-  la continuación de la documentación de niveles de inmisión de las principales especies causantes de malos olores (sulfuro de hidrógeno y amoniaco) en el entorno de varias plantas de tratamiento de aguas residuales;

-  la incorporación al programa de vigilancia experimental de nuevas especies químicas no abordadas hasta el momento;

-  la simulación del impacto olfativo, centrado en la estimación de tasas de emisión.

b) Se completó a lo largo del pasado ejercicio el “Programa Especial de Vigilancia del Ozono Troposférico en la Comunidad Valenciana. PREVIOZONO/2009”, bajo contrato con la Consellería de Medio Ambiente, Agua, Urbanismo y Vivienda, de donde se realizó un seguimiento diario de la situación ambiental relativa al ozono en la Comunidad, con información puntual a través de la web de los niveles de inmisión, diagnóstico de las condiciones actuales, previsión de la evolución esperable, etc. Se actualizó la presentación de resultados, con la incorporación de nuevas formas de distribución de la información a la población. Especial atención se prestó al diagnóstico del ámbito de representatividad espacial de las estaciones a sus municipios limítrofes, que espera definirse durante el año 2010 a partir de los ejercicios de modelización planificados.

Fig. 19.- Particionamiento por municipios de la Comunidad, agrupados en función de la influencia de alguna
de las cabinas de vigilancia de la contaminación atmosférica (respecto a las concentraciones de ozono).

c) Se concluyó durante el año 2009 el proyecto para el “Diagnóstico de la Contaminación Atmosférica del Término Municipal de Valencia en el Marco del Plan Estratégico de la Calidad del Aire”. Los trabajos se enfocaron hacia una aproximación experimental al diagnóstico de la calidad del aire en la ciudad de Valencia, a través de dos tipos de actuaciones ‘ad hoc’:

-  caracterización de la distribución espacial de los niveles de inmisión de NO₂ en la ciudad de Valencia con alta resolución espacial mediante el uso de captadores pasivos, a lo largo de diferentes periodos;

-  caracterización de los intercambios puerto/ciudad mediante la medida sistemática con un vehículo en movimiento a lo largo de la interface de ambos espacios;

con objeto de establecer relaciones entre tráfico (emisiones) y distribución espacial/temporal de niveles de inmisión, que sustenten la formulación futura de una estrategia de reducción, que debería aparentemente provenir de una limitación de las emisiones de los vehículos (a través de alguna actuación que limitase el tráfico en la ciudad).

Fig. 20.- Imagen promedio de la distribución espacial de concentraciones de NO2 obtenida
experimentalmente a partir de captadores pasivos.

Fig. 21.- Recorridos con una unidad móvil en la zona de transición entre el puerto y la ciudad de Valencia,
poniendo de manifiesto algunos de los aspectos de la dinámica de contaminantes en el entorno del Municipio.

Fig. 22.- Localización de los dos emplazamientos en el entorno de la población de Lorca,
y ejemplo de los resultados de inmisión obtenidos (niveles máximos de sulfuro de hidrógeno) para las dos redes experimentales desplegadas.

d) Se han continuado los trabajos en el contexto del proyecto de estudio de la Contaminación Atmosférica Proveniente de Intrusiones Saharianas y Fuentes Puntuales en la Comunidad de Andalucía, bajo contrato con la Consejería de Medio Ambiente de la Junta de Andalucía. Los trabajos han ido enfocados al ajuste del Sistema Integrado de Modelización para el pronóstico de los cambios en la calidad del aire derivados de la emisión, dispersión y transporte de arsénico (As) emitido por fuentes industriales puntuales y de la intrusión de masas de aire norteafricanas con importante carga de material particulado atmosférico desde el año 2007. Las principales acciones han consistido en la preparación del procedimiento de modelización para la comparación de los resultados del modelo con los niveles obtenidos en la Red de Calidad del Aire de la Consejería de Medioambiente de la Junta de Andalucía, como base para mostrar la capacidad operacional del modelo Hysplit para predecir cambios en la calidad del aire (en particular de concentraciones de arsénico).

e) Se iniciaron igualmente los trabajos para el Estudio sobre la Formación y Transporte del Aerosol Atmosférico Regional en Andalucía Occidental (AER-REG), bajo contrato con la Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa de la Junta de Andalucía. Las actividades realizadas han ido dirigidas al estudio de los episodios regionales de aerosoles en Andalucía Occidental, específicamente en la provincia de Huelva. Los objetivos perseguidos abarcan diversos aspectos de estos episodios, que se pueden concretar en las siguientes acciones:

-  los procesos meteorológicos que dan lugar al transporte de contaminantes a nivel regional, identificando las zonas preferenciales de este transporte regional y el destino final a escala sinóptica;

-  cuantificación de la contribución de partículas primarias frente a la de las partículas secundarias a los niveles de PM10 y/o PM2.5 en áreas urbanas y rurales;

-  procesos de formación de partículas secundarias durante el transporte de sus precursores gaseosos desde las ‘zonas (fuente) urbanas/industriales’ a ‘zonas (receptoras) rurales’;

-  contribución de cada especie a los niveles de fondo regional de PM10 y PM2.5;

-  las implicaciones de los resultados obtenidos en relación a la tendencia en cuento a futuros escenarios climáticos a corto y medio plazo.

f) A lo largo del año 2009 se concluyeron también los trabajos del proyecto para la “Valoración del posible impacto olfativo debido a dos plantas de tratamiento de purines situadas en el entorno del Municipio de Lorca”. La participación del CEAM en el referido proyecto, bajo la dirección del Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura, perteneciente al CSIC, tuvo como finalidad obtener información experimental sobre niveles de concentración ambiente de sulfuro de hidrógeno y amoniaco con un doble objetivo:

-  documentar los órdenes de magnitud de la presencia de tales especies, bajo diferentes condiciones ambientales, a partir de la realización de un cierto número de muestreos con diferentes tecnologías;

-  establecer una posible relación causa-efecto respecto a los focos problema, a través de un diseño 'ad hoc' de la estrategia y red de medida;

Los trabajos desarrollados consistieron en la realización de medidas experimentales de inmisión de dos tipos:

-  campañas espaciales, consistentes en la distribución en el entorno de los potenciales focos de emisión de una red de muestreo mediante captadores pasivos de H₂S y NH₃.

-  campañas puntuales, consistentes en la medida local, mediante captación forzada, de los niveles de inmisión de ambas especies, en diferentes puntos relativos a los posibles focos de emisión.

Nuevamente se pone de manifiesto el interés de las medidas dosimétricas, en el contexto de un tratamiento dispersivo del problema, como aproximación al impacto olfativo.

Fig. 23.- Lugares de realización de los sondeos en Valencia (CEAM) y en el mar,
 y detalle de uno de los perfiles de ozono obtenidos (ejemplo de suelta de uno de los globos en el puerto de Mallorca).

g) En colaboración con el centro ISPRA se realizaron varios sondeos meteorológicos con ozono en varios puntos del Mediterráneo, aprovechando la infraestructura proporcionada por un buque de pasajeros en ruta turística. Las medidas se realizaron en el contexto de un proyecto de investigación liderado por el grupo europeo enfocado hacia el estudio de la dinámica de contaminantes fotoquímicos en la cuenca mediterránea occidental, con su posible impacto sobre el balance energético terrestre e implicaciones sobre el cambio climático.

-        Desarrollo Tecnológico:

Objetivo/Definición: Optimizar, modificar, o en último paso fabricar, una nueva instrumentación que cubra las necesidades de los investigadores.

Del conocimiento residente en la institución y de la experiencia adquirida en la medición de contaminantes atmosféricos se han venido estableciendo nuevas necesidades que los instrumentos disponibles no satisfacían.

Dicha situación produjo la creación de esta línea emergente. Los campos de trabajo de la línea de investigación están diversificados en cuatro puntos: optimización y actualización al estado del arte del instrumento COSPEC V para la medida de contaminantes atmosféricos (SO2, NO2) con mayor precisión, desarrollo de nueva instrumentación para ampliar la gama de contaminantes que pueden ser medidos (BrO, HCl, NH3, partículas, etc.), desarrollo de nueva instrumentación en otros campos de interés (efectos vegetación, meteorología, etc), elaboración de sistemas de adquisición de datos que permitan una adquisición e interpretación de los datos de una forma más exacta y eficiente, elaboración de nuevos conceptos de medida para eliminar incertidumbres en los resultados.

Resultados destacables:

Dentro del proyecto TRANSREG se han realizado las tareas asociadas al segundo año de proyecto. Las tareas han consistido principalmente en la puesta en marcha de la instrumentación necesaria para las campañas experimentales, así como en la actualización de tres unidades móviles utilizadas exclusivamente en las campañas para la realización de las mismas. Se han generado aplicaciones software para la interpretación de los datos adquiridos y para la graficación de los mismos.

En el contexto del proyecto TRANSREG, se ha organizado y llevado a cabo la campaña de medidas programada para esta anualidad en el entorno industrial del Puerto de Sagunto y en la ciudad de Valencia. Estas campañas tuvieron lugar en Abril, Mayo y Octubre de 2009. En ellas además de las tareas asociadas a las mismas se pusieron en marcha varios prototipos de sensores ópticos remotos utilizando la técnica COSPEC con mini-espectrómetros.

A su vez también se desarrollaron medidas de calibración de los diferentes sensores y de las celdas de calibración utilizadas durante el funcionamiento de los mismos. Dichas medidas facilitaron la realización de curvas de calibración de los diferentes instrumentos.

Fig. 24.- Puesta en marcha de sensores ópticos remotos con tecnica COSPEC

En el proyecto de desarrollo interno CAPTADOR se ha finalizado la puesta en marcha del sistema. En ella se han testado todos los componentes mecánicos, neumáticos y electrónicos. El test ha consistido en la realización de pruebas de funcionamiento en ambientes de alta temperatura y humedad. A su vez se realizaron diferentes ciclos de trabajo con el instrumento para detectar fallos aleatorios en la electrónica diseñada. De estos test se ha extraído información valiosa para el diseño de un sistema de apantallamiento electromagnético que permite aislar el funcionamiento de los elementos de potencia conmutada (bomba, electroválvulas, etc...) y de los elementos de señal (microcontrolador, teclado, displays, etc...).  Todos los elementos mecánicos y electrónicos, así como el sistema de control ha sido desarrollado en la Fundación CEAM.

Fig. 25.- Prototipo de Captador para el muestreo de gases de forma autónoma

Este prototipo será utilizado en el proyecto DIOD3, ESTUDIO DE LA DISPERSIÓN DE OLORES EN EL ENTORNO DE UNA PLANTA DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES. FASE III. Dicho proyecto se ha venido realizando en colaboración la Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR)

En el proyecto MOTAS se ha realizado la compra de un sistema de desarrollo de este tipo de tecnología. El objetivo del proyecto es el diseño de un red de medida inteligente con este tipo de sensores inalámbricos. El primer paso ha sido el testeo de una pequeña red formada por dos elementos en el interior del CEAM. El grupo de desarrollo tecnológico ha trabajado sobre los elementos electrónicos para adecuar el comportamiento generalista de este tipo de sensores a las necesidades que tiene el CEAM. Para ello se ha trabajado sobre el microcontrolador para poder dotarle de una pequeña funcionalidad en la forma en la que se adquieren las señales analógicas.

En el proyecto VALENCIA CALIDAD se ha trabajado en el desarrollo del montaje experimental en el diseño para la realización de las campañas de medidas que se realizan alrededor del puerto de Valencia. Se han desarrollado herramientas software de georeferenciación para la graficación de los resultados en un formato Google Earth.

En el proyecto CALIDAD AIRE TORRELAVEGA se ha realizado una campaña de medidas previas para localizar las diferentes ubicaciones de los focos contaminantes en el entorno de la ciudad de Torrelavega. Esta campaña se realizó en el mes de Septiembre de 2009. A su vez también se realizó una presentación describiendo la viabilidad sobre la instalación de un sensor remoto para la medida de CS₂, en la ciudad de Torrelavega (Santander).

En el proyecto Acción COST ES0802- “Unmanned aerial systems (UAS) in atmospheric research”, dependiente de la Comisión Europea. Se han desarrollado tareas dentro del objetivo específico de la acción.

El objetivo genérico de esta acción europea es la coordinación, a nivel europeo, de la investigación en el desarrollo y aplicación de sistemas aéreos no tripulados para la caracterización de la troposfera. Las actividades previstas durante la duración de esta acción (2009-2012) son:

(a)   el desarrollo de estrategias de vuelo para optimizar la adquisición de medidas relevantes,

(b)   el desarrollo de herramientas de análisis de datos para registrar y procesar datos obtenidos desde un avión instrumentado no tripulado.

Las tareas anteriores están asociadas a proyectos de investigación dentro de convocatorias públicas de I+D, o en contratos de I+D de especial relevancia con Empresas.

A su vez también se han desarrollado varios proyectos internos relacionados con la actualización y desarrollo de nuevas estrategias instrumentales. Estos proyectos han estado relacionados con:

·       Desarrollo de un sistema de adquisición autónomo multicanal para el almacenaje masivo de información ambiental. Este sistema esta basado en un microcontrolador de ultima generación que soporta varios buses de comunicación (USB, RS-232, I2C, etc...) con convertidor analógico digital integrado de alta velocidad y precisión. A su vez el sistema tiene la capacidad de almacenaje en memoria Secure Digital, lo que permite almacenar hasta 2 Gb de información de forma remota.

·       Desarrollo de un horno catalítico para la conversión de H₂S a SO₂. Este horno permite realizar la medida de Ácido Sulfídrico con monitores de medida de Dióxido de Azufre. El horno consta de una parte de control y medida compuesta por un controlador PID y entrada de termopares. La conversión se realiza dentro de dos tubos concéntricos de cuarzo, capaces de soportar hasta 1000 º C de temperatura. Estos tubos están recubiertos de una resistencia diseñada ad-hoc.

·       Desarrollo de un sistema de comunicaciones bajo GPRS para la sustitución de los antiguos dataloggers con tecnología GSM.