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Mosaico Científico
ISSN 1817-8391 versión impresa

 


Mosaico Cient v.3 n.2 Lima jul./dic. 2006

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA AMBIENTAL

 

Estudio de la variación estacional de ozono troposférico y aerosoles del Perú relacionado a las quemas de vegetación en la Amazonía

Study of the seasonal variation of tropospheric ozone and aerosols related to the biomass burning in Amazonia

Luis Suárez1,2;  Luis Castillo2; Madeleyne Marín2; Gisela Carrillo2; Lody Rímac3;  José Pomalaya2; Ricardo Menacho3.

 

1 Departamento de Ciencias de la Atmósfera, Instituto de Investigación para el Desarrollo Tecnológico - ININDETEC. Jr. Julio C. Tello 246, El Tambo, Huancayo, Junín, Perú.
2 Grupo de Investigación y Gestión de la Calidad del Aire - GEAIRE, Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú, Huancayo, Junín, Perú.
3 Facultad de Ciencias Forestales y del Ambiente, Universidad Nacional del Centro del Perú, Huancayo, Junín, Perú. 


RESUMEN

La quema de vegetación es la más importante fuente de contaminación del aire en la región tropical del planeta. De manera especial, en la Amazonía esta contaminación alcanza miles de kilómetros, principalmente los relacionados a las quemas en territorio de Brasil, que serían transportados por los vientos hasta el territorio peruano. Este estudio presenta las evidencias del transporte transfronterizo de contaminantes del aire hacia el Perú desde Brasil, y utiliza datos de satélite para poder cuantificarlo y evaluar el rol que tiene este transporte en la composición química de la atmósfera de la región peruana. Se han evaluado datos de los satélites TOMS y MODIS para evaluar y cuantificar la variación estacional de contaminantes del aire: ozono troposférico y aerosoles (material particulado). Esto ha permitido evaluar la variación estacional en términos de ozono troposférico, Indice de Aerosol (AI) y espesor óptico de aerosol (AOD), tomando como referencia la ciudad de Huancayo, en la cordillera de los Andes, que indicaría el transporte de los contaminantes al territorio peruano. Los datos han mostrado máximos valores durante la última parte del periodo seco (agosto a noviembre). Este incremento no encontraría explicación solamente en las quemas locales, sino que además tendría la influencia del transporte de contaminantes del lado de la región de Brasil.

PALABRAS CLAVE: ozono troposférico, aerosoles, quema de vegetación, contaminación del aire fronterizo.

 


 

ABSTRACT

Biomass burning is the most important source of air pollution in the tropical región of the world. Specially, in the Amazon basin the pollution reaches thousand of kilometers, mainly, the related to burning in the region of Brasil, that could be transported by the predominant winds to the peruvian territory. This study presents evidences of the of the transboundary air pollution from Brasil to Peru and utilizes data from TOMS and MODIS satellites to evaluate and quantify air pollutants: tropospheric ozone and aerosols (particulate matter). This permitted to evaluate the seasonal variation in terms of tropospheric ozone, aerosol index (AI) and aerosol optical depth (AOD) taking as reference Huancayo city, over the Andean mountain, that could indicate the transport of the pollutants to the peruvian territory. The data showed maximun values during the late part of the dry season (August to November). This increase could not be explained only by the local biomass burnings, but it has additional influence of the transport of pollutants coming from Brasil.

KEY WORDS: trophosferic ozone, aerosols, biomass burning, transboundary air pollution.


INTRODUCCIÓN

El ser humano ha tenido una estrecha relación con el fuego desde tiempos tempranos de la civilización. Debido principalmente a la agricultura, el fuego se ha usado ampliamente. Su utilización incluye la limpieza del terreno agrícola, quema de residuos agrícolas, cambio de cobertura vegetal (de bosque a cultivo agrícola), etc. Sin embargo, su uso extensivo ha ocasionado que las quemas de vegetación sean la principal fuente de contaminantes del aire en la región tropical1,2. Por ejemplo, la quema de vegetación es responsable de la emisión de 2 a 5x105 g de carbono (C) por año en la región tropical. Para fines de comparación, la quema de combustible fósil emite 5,5x105 g de C por año3.

Esta emisión además comprende otros gases contaminantes como dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4), oxido nitroso (N2O), óxidos de nitrógeno (NOx) y aerosoles, así como otros hidrocarburos4,5, que tienen roles importantes en la calidad del aire de las ciudades, en la composición química de la atmósfera y del clima. Estos gases a su vez servirán de insumo para la formación del contaminante secundario ozono (O3) a nivel de superficie6, principal responsable del smog fotoquímico. Así mismo, es de importancia la emisión de grandes cantidades de aerosoles, partículas con diámetro menor de 10 micrómetros (10-6 m)7, que tienen especial interacción en el balance radiactivo terrestre y en la formación de lluvias8, y que es un tema de actual interés científico debido a la gran incertidumbre respecto a su rol en el sistema terrestre, que incluso indica que podría tener un efecto contrario al efecto invernadero, al reflejar la radiación solar o promover la formación de una mayor cobertura nubosa9.

En este sentido, la Amazonía es una zona de abundante actividad por quemas de vegetación, como parte del cambio de uso de suelos para aprovechamiento agrícola10. Estas quemas se presentan principalmente en la época seca (de mayo a octubre), que también coincide con la menor capacidad de remoción de los contaminantes por las mínimas lluvias y con ello una mayor posibilidad de que los contaminantes alcancen mayores distancias.

En la Amazonía de Brasil, específicamente, es donde se pueden detectar cientos de miles de focos de incendios forestales que producirían cantidades importantes de contaminantes. Esto da origen a la formación de extensas plumas de contaminantes en toda la cuenca Amazónica11 y ocasionando el ingreso de contaminantes primarios, la producción de contaminantes secundarios y aerosoles al territorio peruano. Esta influencia se da debido a la dominancia de vientos con dirección oeste (Figura 1).

Por ello, este trabajo presenta las evidencias del transporte transfronterizo de contaminantes del aire hacia el Perú desde la Amazonía de Brasil y utiliza datos de satélite para poder cuantificarlo y evaluar el rol que tiene este transporte en la composición química de la atmósfera de la región peruana.

 

 

MATERIAL Y MÉTODO

El presente trabajo está basado en la utilización de mediciones satelitales. Se han usado los datos del instrumento Advanced Very High Resolution Radiometer AVHRR a bordo del satélite NOAA-12 (National Oceanic and Atmospheric Administration) para la determinación de los focos de incendios en la región de Brasil. Para el análisis del ozono troposférico, los datos utilizados fueron obtenidos por el método “cloud slicing”12. Estos fueron generados usando datos del sensor TOMS (Total Ozone Monitoring Spectrometer) en la versión 8 instalado a bordo del satélite Earth Probe y con una resolución de 1x1,25º. Este método es de especial aplicación para determinar ozono en la parte alta de la troposfera (troposfera libre) de la región tropical. Estos datos fueron usados para evaluar específicamente el año 2003. La Figura 2 muestra los puntos que se consideraron para dividir las regiones según su ubicación geográfica: Zona peruana (P4, P5, y P6), frontera (F1, F2 y F3) y la Zona Brasil (B4, B5, B6, B7, B8 Y B9).

 

 

La evaluación de aerosoles incluye los datos que cubren tanto la región ultravioleta (280 - 400 nm) como la visible (400 - 700 nm). Para la primera tarea, ha sido utilizado el sensor TOMS. Se ha determinado el IA (Índice de Aerosol), que es una medida de cuánto la dependencia de la longitud de onda de la radiación UV reflejada de una atmósfera conteniendo aerosoles (dispersión Mie, dispersión Rayleigh y absorción) difiere de una atmósfera solamente compuesta por moléculas (solo dispersión Rayleigh)13. La data cubre el periodo de julio 1996 a diciembre 2005.

Así mismo, se han utilizado las mediciones del EOA (espesor óptico de aerosol) obtenidos por mediciones del sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectrometer)14. El cual ha sido ampliamente usado para el monitoreo de aerosoles, de manera especial en la región tropical del planeta15. Los datos empleados cubren el periodo enero 2001 a diciembre 2005.

Para el análisis estadístico, se ha empleado el programa R (The R Foundation for Statistical Computing Version 2.1.1, 2005).

DISCUSIÓN DE RESULTADOS 

Ozono troposférico 

Los datos de ozono troposférico colectados en la cuenca amazónica han servido para poder determinar de manera cuantitativa la modulación relacionada con la época seca y con las quemas de vegetación en la Amazonía de Brasil. El método utilizado enfoca adecuadamente la troposfera libre, que es la región donde se produciría el transporte de los contaminantes y la posterior formación de ozono troposférico, como contaminante secundario. Además debemos mencionar que en la región tropical el transporte horizontal está dominado por la intensa actividad advectiva, lo que eventualmente podría promover un mayor ingreso de contaminantes a la región de la troposfera libre.

El método para determinar el ozono troposférico “cloud slicing” tiene especial enfoque con la región alta de la troposfera y por ello ayuda a entender de mejor manera las variaciones de ozono en la cuenca amazónica, como se muestra en la Figura 3

 

 

Así, es posible ver el incremento del ozono durante los meses de quema, iniciando el incremento a fines de junio para luego disminuir ligeramente a fines del año. Es posible notar que aunque los valores de la ubicación de Brasil son ligeramente mayores a los del Perú, este termina indicando la relación existente entre ambos cambios en la concentración del ozono. También es posible notar que los niveles de ozono van disminuyendo progresivamente a medida que se acerca al Perú. Esto como parte de los complejos procesos físicos y químicos de formación y destrucción del ozono en la baja atmósfera.

Los datos indican que el mayor episodio de contaminación por ozono troposférico para Perú y Brasil se produce en el mes de septiembre, con valores de 43,5 UD en Brasil y 35,5 UD en Perú. Durante este mes también se registra el número máximo de focos de quemas de vegetación sobre la región amazónica de Brasil, con un promedio de 57 308 focos de incendio, lo que mostraría que los contaminantes generados como consecuencia de la quema de vegetación en la región amazónica de Brasil tienen influencia sobre la calidad del aire en la región peruana.

Para ganar certeza en este aspecto, se ha evaluado la significancia de esta variación considerando la evaluación estadística del efecto de las quemas de vegetación en la Amazonía con los valores que se registran en la región peruana (Arellano, comunicación personal). La figura 4 muestra esta variación longitudinal y el rango de valores determinados, considerándose las ubicaciones de Brasil 1 y 2 como las fuentes de contaminación. Para ello, se ha aplicado un análisis de variancia empleando el software R.  La tabla 1 muestra los resultados obtenidos. Aunque no muestra una significancia alta (p-value = 0,01122), es posible afirmar que la contaminación originada en la Amazonía brasileña principalmente en la época seca por quemas de vegetación tiene un efecto estadísticamente significativo en el incremento en los niveles de ozono troposférico de la región peruana.

 

 

 

Aerosoles

El análisis de datos de aerosoles incluyó el EOA del MODIS y el IA del TOMS. La Figura 5 muestra la variación anual de los datos disponibles para este estudio. En el AI, el valor está determinado a partir de mediciones a 360 nm, mientras que para el EOA este se determina a 550 nm. Sin embargo, ambos muestran las oscilaciones marcadas por la llegada de la época seca y el incremento de contaminantes en la Amazonía. Se puede ver cierta tendencia al incremento durante los últimos años, pero debido a errores en el sensor TOMS, no es posible detallar aspectos de tendencia hasta una mejor versión de los datos y se superen errores en el algoritmo de obtención de datos. El MODIS no muestra una tendencia similar, pero siendo un periodo muy corto sería difícil poder concluir adecuadamente sobre la posibilidad de un incremento significativo. Es aún tema de discusión que necesita una mayor evaluación. Sin embargo, no se puede negar que el hallazgo de una posible tendencia de incremento sería justificado debido al incremento de la deforestación y una creciente presión sobre los recursos naturales en la Amazonía de Perú y Brasil que está originando un severo cambio en el uso del suelo16. Esta presión y el consiguiente deterioro se deberían notar en los próximos años. Esto debería tener especial atención debido al rol clave que tienen los aerosoles en el clima y en la formación de lluvias en toda la cuenca amazónica. 

 

 

La ubicación de Huancayo (lat. 12,05 S y long. 75,32º, y altura 3 313,0 m.s.n.m.) por encima de los 3 000 metros de altura favorece la posibilidad de monitorear de manera adecuada la media atmósfera, que incluye el monitoreo del transporte de contaminantes. Así como las lluvias en la región andina del Perú están moduladas por la humedad transportada desde la Amazonía, del mismo modo sería posible saber del cambio en la composición de la calidad del aire en la Amazonía a escala regional mediante monitoreos en Huancayo, que serviría como una gran plataforma desde donde se podrían evaluar y estudiar estos cambios.

En este sentido, en la Figura 5 es posible notar la variación estacional, donde se muestran las mediciones centradas en la ubicación de la ciudad de Huancayo. Las barras muestran el error estadístico. Los sensores registran los mayores valores de la presencia de aerosoles para el periodo de agosto a noviembre. Ambas mediciones tienen diferente técnica de medición y además utilizan diferentes regiones de la radiación solar para evaluar los aerosoles; sin embargo, tienen una similar variación estacional y coinciden en la detección de los valores máximos de aerosoles, lo que incrementa la certeza de estas mediciones y la validez de la suposiciones de que las quemas de vegetación tendrían una importante influencia en los niveles de los aerosoles en la ubicación de Huancayo. Además de evaluar el número de incendios forestales que se registran en la Amazonía, es importante notar el inmenso aporte de contaminantes producidos por estos eventos en Brasil (ver Figura 7), en comparación a los incendios en Perú. Solo para mencionar que durante el año 2003 en el territorio peruano se registraron 978 focos de incendio, mientras que en Brasil se registraron 208 223 (Setzer, comunicación personal). Así, la Figura 6 nos muestra la estacionalidad de los incendios y la diferencia existente entre Perú y Brasil en materia de incendios forestales y por consiguiente en la emisión de contaminantes al aire en la Amazonía, que coincide también con la época de mayor incremento de ozono troposférico y de aerosoles. 

 

Finalmente, para poder relacionar estadísticamente, se muestra en la figura 8 la correlación que existe entre el número de incendios forestales y la variación de la concentración de ozono troposférico y de aerosoles, respectivamente. De esto es posible resaltar el alto valor hallado respecto a la relación de ozono troposférico con los incendios forestales en Brasil (R2 = 0,57, p < 0,05), mientras que para los aerosoles (usando los datos AI-TOMS) se registra una menor relación con los incendios (R2 = 0,10, p < 0,05). Esto se explicaría por la naturaleza misma del contaminante; mientras el ozono troposférico es un contaminante secundario que se forma a varios kilómetros de la fuente de contaminación, los aerosoles podrían ser transportados una menor distancia.

 

CONCLUSIONES

El presente trabajo ha presentado evidencias sobre el transporte de contaminantes del aire en la Amazonía del Perú (ozono troposférico y aerosoles) debido a las quemas de vegetación en Brasil. Ha sido posible cuantificar los valores de ozono troposférico y de aerosoles mediante la teledetección, usando diversas técnicas de los sensores TOMS y MODIS. Se ha podido establecer la significancia estadística del efecto de las quemas de vegetación en los niveles de ozono troposférico registrados para Huancayo, lo que indica el transporte de contaminantes a lo largo de la Amazonía del Perú para luego seguir camino hasta la región andina. Técnicas diversas de detección de aerosoles han mostrado similar tendencia, y valores máximos en los meses de agosto a noviembre. Estos incrementos no encontrarían explicación solamente en las quemas locales, sino que además tendrían las influencias del transporte de contaminantes del lado de la región de Brasil. Es más notoria esta relación con los valores del contaminante secundario ozono, pero también cierta concentración de aerosoles en la región peruana puede ser explicada por el número de incendios en Brasil. Por ello, es necesario un mayor estudio sobre las trayectorias que tienen las masas de aire en la cuenca del Amazonas, investigación en la composición química de los aerosoles y una implementación de políticas de prevención de incendios forestales coordinadas adecuadamente entre Perú y Brasil.


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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