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Introducción
Los entornos urbanos con mayor densidad de población tienen mayor exposición a contaminantes atmosféricos (Martins & Carrilho da Graça, 2018). Existe mucha evidencia del impacto negativo del material particulado o PM (por sus siglas en inglés: particulate matter) en la salud humana, especialmente en lugares de mayor concentración de actividades humanas (Malings et al., 2018; Liu et al., 2019).
Como medidas de control y vigilancia ambiental del PM, es común el monitoreo de partículas menores a 10 µm (PM10) y partículas finas de 2.5 µm (PM2.5) (Martins & Carrilho da Graça, 2018). Existe extensa literatura sobre los efectos en la salud humana de las partículas finas (Masri et al., 2022), pues pueden penetrar en los alveolos pulmonares e incluso llegar al torrente sanguíneo (Hamanaka & Mutlu, 2018).
Tradicionalmente en la medición del PM2.5 se emplean equipos colectores y monitores automáticos distribuidos en estaciones de control; pero los costos de instalación y mantenimiento dificultan la obtención de información detallada sobre su distribución y transporte hacia zonas periféricas y rurales, así como la identificación de puntos críticos de contaminación en áreas no cubiertas por la red (Liu et al., 2019).
La creciente demanda pública de monitoreos de la calidad del aire en tiempo real y los recientes avances en el campo de microsensores de bajo costo y tecnologías de información y comunicación (TIC) han hecho factible el despliegue de redes densas de monitoreo en zonas urbanas, lo que permite comprender mejor el comportamiento de los contaminantes (Morawska et al., 2018).
Actualmente, existe variedad de microsensores de bajo costo para mediciones de PM diferenciadas por su sensibilidad, uso, costo, tamaño y ahorro de energía (Liu et al., 2019). Entre ellos se tiene a la familia Plantower, sensores que han demostrado gran rendimiento y calidad de fabricación, y que proporcionan buenas medidas relativas de PM2.5 (Sayahi et al., 2019; Alfano et al., 2021).
Huancayo es una ciudad altoandina, ubicada en la cordillera central de los Andes peruanos. Estudios realizados sobre el PM con equipos tradicionales (Suarez-Salas et al. 2017; Huamán De La Cruz et al., 2018; Huamán De La Cruz et al., 2019; Álvarez Tolentino & Suárez-Salas, 2020) concluyeron que el PM2.5 es uno de los principales contaminantes atmosféricos de la zona, cuyas características de variabilidad y fuentes de origen aún son poco conocidas.
Con la finalidad de entender con más detalle las características de las partículas finas, el estudio tiene por objetivo evaluar la variación temporal y las zonas fuente del PM2.5 mediante el empleo de sensores de bajo costo en tres sitios estratégicos de la ciudad de Huancayo.
Materiales y Métodos
Área de Estudio
El área de estudio fue la zona metropolitana de Huancayo (ZMH). La ZMH está ubicada dentro de la región Junín, en el centro del Perú, rodeada por las cordilleras oriental y occidental de los Andes peruanos, sobre los 3300 msnm. Comprende tres distritos: El Tambo, Huancayo y Chilca, con una poblacional aproximada de 500000 habitantes, cuya actividad principal es el comercio y transporte (Municipalidad Provincial de Huancayo, 2017).
Los sitios de monitoreo fueron localizados en lugares urbanos con mayor densidad y desarrollo de actividades económicas (Figura 1). El detalle de los sitios de monitoreo de PM2.5 se describe en la Tabla 1.
Figura 1 Ubicación de las estaciones de monitoreo de PM2.5 en la zona Metropolitana de Huancayo (CHI: Chilca, HYO: Huancayo y UNCP: El Tambo).
Tabla 1 Localización y descripción de los sitios de monitoreo continuo de PM2.5 en la Zona Metropolitana de Huancayo.
| Lugar de monitoreo | Latitud Longitud Altitud | Sitio de instalación | Características de la zona |
|---|---|---|---|
| El Tambo (UNCP) | 12° 4' 15.43"S 75° 12' 30.14"O 3270 msnm | Ubicado en la azotea del edificio administrativo de la Universidad Nacional del Centro del Perú (UNCP) a 5.2 km al norte del centro de la zona metropolitana de Huancayo. | Zona residencial y comercial con tráfico medio de vehículos ligeros y pesados |
| Huancayo (HYO) | 12° 4' 15.43"S 75° 12' 30.14"O 3256 msnm | Ubicado en la Azotea del edificio de la Municipalidad Provincial de Huancayo en el centro de la zona metropolitana | Zona residencial y comercial con tráfico intenso de vehículos ligeros |
| Chilca (CHI) | 12° 5' 12.86"S 75° 12' 30.94"O 3235 msnm | Ubicado en la azotea del edificio de la Municipalidad Distrital de Chilca a 2.1 km al sur del centro de la zona metropolitana de Huancayo. | Zona residencial, comercial con pequeños grupos de industrias con tráfico medio de vehículos ligeros y pesados |
Monitoreo
Se realizaron campañas simultáneas de monitoreo en tiempo real del PM2.5 en los tres sitios establecidos, utilizando sensores de bajo costo de la familia Plantower modelo PMS5003 de la plataforma colaborativa de PurpleAir (SCAQMD, 2016) desde junio de 2018 hasta junio de 2019, con una frecuencia de registro de datos por minuto.
Sensor empleado
Los sensores duales PMS5003 PurpleAir PA II emiten rayos laser sobre los diferentes tamaños de partículas que ingresan hacia el sensor (Figura 2). La luz reflejada resultante es medida por diodos receptores. Estas señales son filtradas y amplificadas por filtros y circuitos electrónicos antes de ser convertidas por algoritmos complejos en concentraciones de PM2.5 (Zheng et al., 2018).
Análisis de los datos
Variabilidad temporal. Los datos seleccionados fueron promediados en escalas temporales (horarias, diarias y mensuales). El análisis de datos se dividió en época seca: mayo-setiembre y época húmeda: octubre-abril (Silva et al., 2008). Los promedios diarios fueron comparados con el Estándar de Calidad Ambiental de 24 horas (ECA = 50 μg/m3) establecido en D.S. N° 003-2017-MINAM.
Las comparaciones por sitio y escala temporal fueron realizadas mediante el análisis de varianza de una vía (ANOVA) y complementadas en caso de diferencias significativas con el Test de significación honesta, de Tukey (HSD Tukey). Para determinar la diferencia significativa entre los períodos estacionales se empleó el Test de Student (Test-T).
Zonas fuente. Para analizar las zonas fuente de emisión del PM2.5, se empleó el modelo híbrido lagrangiano de trayectoria integrada de partícula única (HYSPLIT, por sus siglas en inglés), generando retrotrayectorias de 120 horas (5 días hacia atrás), a intervalos de 6 horas a 10 m de altura sobre los sitios de monitoreo, con datos meteorológicos de reanálisis del Sistema Global de Asimilación de Datos (GDAS) a resolución horizontal de 0.5º (Stein et al, 2015). Con las retrotrayectorias obtenidas se calcularon las Trayectorias de concentración ponderada (TCP) cuya fórmula es la siguiente (Ecuación 1):
Donde i y j son los índices de la grilla, k el índice de la trayectoria, N el número total de trayectorias utilizadas en el análisis, CK la concentración de contaminante medida a la llegada de la trayectoria k, y τijk el tiempo de residencia de la trayectoria k en la celda de la cuadrícula (i, j). Un valor elevado de Cij significa que las parcelas de aire que pasan por la celda (i, j) provocan, por término medio, concentraciones elevadas en el lugar receptor.
El TCP fue aplicado para días que superaron el estándar de calidad ambiental peruano.
Los análisis fueron ejecutados mediante el software libre CRAM R, versión 3.5.1 (2018-07-02) (R Core Team, 2015), utilizando los paquetes ggplot2 (Wickham & Chang, 2016) y splitr (Iannone, 2016). Como complemento se usó el geoservidor (https://geo.serfor.gob.pe/monitoreosatelitalforestal) de reportes de alertas de incendios forestales del Servicio Nacional Forestal y de Fauna Silvestre (SERFOR).
Resultados
Variabilidad temporal
Las mediciones a la frecuencia de un minuto, para los tres sitios de monitoreo de PM2.5 durante toda la campaña muestran gran variabilidad. Las fechas festivas como Navidad y Año nuevo, registran los valores máximos. En la noche del 31 de diciembre, previa al Año Nuevo (en gris); en CHI se registró el valor máximo de 826 μg/m3, en HYO el valor de 788 μg/m3 y en la UNCP el valor de 627 μg/m3.
Las variaciones horarias registraron dos picos de importancia: el primero desde las 06 hasta las 08 horas, período durante el cual el tráfico se intensifica, dado que la población se moviliza hacia sus centros de estudio y/o trabajo; el segundo pico horario del día se observa desde las 19 a las 21 horas, donde se intensifica el tráfico por actividades de retorno y aumentan las emisiones por parte de las pollerías, centros de comida rápida y otros.
Respecto a la variación semanal de PM2.5, para el caso de CHI los promedios máximos se registraron los días sábado (25.2±9μg/m3) y los mínimos los días miércoles (17.4±7μg/m3); en HYO los máximos valores se determinaron los días domingo (25.7±12μg/m3) y los mínimos los días miércoles (19.5±10μg/m3); y en la UNCP los valores máximos se registraron los días martes (16.8±11μg/m3) y los mínimos los días miércoles (13.3±9μg/m3).
Comparando los promedios por día de PM2.5 con el ECA (50 μg/m3), en CHI se registraron cuatro superaciones al ECA; en cambio, para HYO y UNCP se determinaron 12 y 09 superaciones al ECA, respectivamente (Figura 3). Con los sensores se puedo observar superaciones simultáneas al valor del ECA en las tres estaciones: 02/12/2018, 31/12/2018 y 01/01/2019. Igualmente, se encontraron superaciones simultáneas entre la estación de HYO y la UNCP en septiembre (días 10, 12, 13 y 15).
Figura 3 Variación diaria del PM2.5 medido por sensores PurpleAir PII en la Zona Metropolitana de Huancayo (CH: Chilca, HYO: Huancayo y UNCP: El Tambo).
En HYO y la UNCP el promedio mensual máximo fue en septiembre, con 37.2±15μg/m3 y 25±15μg/m3, y los mínimos en marzo con 13.4±5μg/m3 y 8.20±4μg/m3, respectivamente.
Comparando la variabilidad mensual se registraron diferencias significativas entre las concentraciones mensuales (p<0.001), para los tres sitios.
Figura 4 Variación mensual del PM2.5 medido por sensores PurpleAir PII en la Zona Metropolitana de Huancayo (CH: Chilca, HYO: Huancayo y UNCP: El Tambo).
En general se registró el máximo promedio de PM2.5 en HYO 21.7±10 μg/m3 seguido de CHI 19.6±8 μg/m3 y la UNCP con 14.5±9.39 μg/m3. No se registró diferencia significativa (p>0.05) entre el PM2.5 de HYO y CHI, pero sí con la UNCP (p<0.05).
En CHI, HYO y la UNCP el promedio en época seca fue 25.2±8μg/m3, 28.5±13μg/m3 y 19.1±8μg/m3, y en época húmeda fue 18±7μg/m3, 18.4±7μg/m3 y 11.3±8μg/m3.
Zonas fuente
En el análisis de TCP aplicado a los días que se superaron los estándares de calidad ambiental (Figura 5) según de los registros de los sensores de bajo costo, se observa que las zonas con mayor frecuencia de trayectorias de masas de aire con mayor concentración de PM2.5 proceden del noreste de las estaciones evaluadas.
Adicionalmente se muestran los mapas de calor de la plataforma de alerta de incendios de SERFOR registrados en los días que superaron el ECA de PM2.5 de manera simultánea en las tres estaciones. De ellos se desprende mayor presencia de incendios en septiembre, lo cual contrasta con los resultados de la variación mensual.
Discusión
Los valores extremos máximos registrados con los sensores corresponden con la quema de fuegos pirotécnicos y otros objetos, costumbre común en los pobladores peruanos a fin de año, similares aumentos se registraron en ciudades como Lima (SENAMHI, 2018).
Los mayores valores de PM2.5 se registraron en HYO y CHI, zonas con mayor actividad comercial y tráfico vehicular, en comparación con la UNCP. Lo interesante de este registro es la coincidencia con las mediciones realizadas con equipos colectores de referencia (Huamán De La Cruz et al., 2019).
Las observaciones horarias de PM2.5 coinciden con las variaciones horarias de carbono negro (Suárez- Salas et al., 2017). Según los estudios de Suárez-Salas et al., 2017; Huaman De La Cruz et al., 2018 y Huamán De La Cruz et al., 2019, en Huancayo se determinaron dos fuentes principales de PM2.5: el polvo de suelo y el transporte. Dada la coincidencia de picos horarios con los valores de carbono negro y por ser el transporte uno de los principales problemas ambientales de Huancayo (Municipalidad Provincial de Huancayo, 2012, 2006); ello nos permite afirmar que esta fuente es la principal responsable de los aumentos del material particulado fino.
Los resultados mensuales coinciden con lo registrado por Vivanco Cristobal, 2014; Suárez-Salas et al., 2017 y Estevan et al., 2019. No se registró diferencia significativa (p>0.05) para CHI entre enero, febrero, marzo, octubre y noviembre; para HYO entre enero, febrero, marzo, octubre, noviembre y diciembre, y para la UNCP entre enero, febrero, marzo, octubre y diciembre; ello coincide con las concentraciones bajas registradas en época húmeda de MP2.5 (Huamán De La Cruz et al., 2019; Suárez-Salas et al., 2017) y aerosoles (Estevan et al., 2019; Vivanco Cristobal, 2014).
Las comparaciones de PM2.5 por época seca y húmeda muestran diferencias significativas (p<0.001) para los tres sitios. Estos resultados coinciden con estudios previos locales (Estevan et al., 2019; Moya Alvarez et al., 2017; Suárez-Salas et al., 2017), donde se señala que en la época seca es cuando se registran las mayores concentraciones de PM2.5, época en la cual la quema de vegetación se incrementa y es una de las principales fuentes.
En ese sentido, los sensores de bajo costo registraron excesos al ECA de 24 horas en el mes de setiembre para HYO y la UNCP, meses de escasa precipitación (IGP, 2005). Analizando los focos de incendios producidos en los días de exceso se muestra un incremento de los mismos especialmente en septiembre (Figura 6), cuando los registros fueron más intensos. Lo que nos permite afirmar que los episodios de contaminación ocurridos en fechas secas aumentan por fuentes externas a la zona de estudio, y son los incendios forestales los principales responsables de excesos. Ello coincide con los resultados de Esteban et al (2019) y Álvarez-Tolentino & Suárez- Salas (2020).
Figura 6 Zonas de alertas de incendios forestales en el territorio peruano según la plataforma de SERFOR, A) del 10 al 15 de septiembre de 2018, B) del 02 de diciembre de 2028, C) 31 de diciembre de 2018, y D) de 01 de enero del 2019.
Debido a la limitada comprensión sobre los sensores de bajo costo (Lewis y Edwards, 2016) y la confusa influencia de las condiciones meteorológicas (Humedad relativa y temperatura), propiedades de aerosol (tamaño y composición) y la elección de los equipos de referencia para la calibración de los resultados (Zheng et al., 2018).
Conclusiones
Este estudio muestra por primera vez la variación horaria y semanal del PM2.5 medidos con sensores de bajo costo para tres sitios urbanos de la Zona Metropolitana de Huancayo. Se registran superaciones al ECA peruano, las que serían potenciadas por fuentes externas como los incendios forestales. Asimismo, los resultados muestran una influencia del transporte en la variación horaria y diaria del PM2.5 como aporte local.
Se observan coincidencia de las variaciones mensuales y estacionales del PM2.5 registrados en este estudio con investigaciones anteriores, lo que nos indica que los sensores de bajo costo vienen registrando información aceptable del MP2.5 y tienen gran potencial para ser usados como complemento de monitoreo integrales de la calidad de aire en zonas de los andes peruanos.
