Anales Cientícos, 79 (2): 334 - 340 (2018)
ISSN 2519-7398 (Versión electrónica)
DOI: http://dx.doi.org/10.21704/ac.v79i2.992
Website: http://revistas.lamolina.edu.pe/index.php/acu/index
© Universidad Nacional Agraria La Molina, Lima - Perú
Presentado: 08/10/2018
Aceptado: 21/12/2018
Evaluación espaciotemporal del material particulado PM
2,5
y su relación con las
variables meteorológicas en la Universidad Nacional Agraria La Molina
Spatiotemporal evaluation of particulate matter PM
2,5
and its relationship with the meteorological
variables at the Universidad Nacional Agraria La Molina
Sergio A. Pacsi Valdivia
1
* y Federico Augusto Murriel Gonzales
*Autor de correspondencia
Resumen
En la presente investigación se determinó la concentración de PM
2,5
, su variación temporal y espacial en el campus de la
Universidad Nacional Agraria La Molina (UNALM) durante el período julio–noviembre del año 2016 y la relación de este
contaminante con las variables meteorológicas. El equipo utilizado fue un muestreador de bajo volumen marca Partisol
modelo 2000-H, el cual colectó muestras en cinco puntos de monitoreo. Los resultados muestran que la concentración
PM
2,5
oscila en el rango 36,89 – 49,92 µg/m
3
y el promedio para el período de evaluación en el campus de la UNALM fue
de 45,24 µg/m
3
, superando el Estándar de Calidad Ambiental del Aire del Perú en 15 días del período de monitoreo y en
casi todo los días el valor Guía de la Organización Mundial de la Salud (OMS) para PM
2,5
. Por otra parte, se encontró que
las concentraciones de PM
2,5
en el área de estudio, tuvieron los valores más altos durante el invierno austral con relación
a la primavera, asociados a una correlación negativa con la temperatura del aire, velocidad del viento y radiación solar y
correlación positiva con la humedad relativa.
Palabras clave: Calidad del aire; PM
2,5
; muestreador de bajo volumen; variación temporal; variación espacial; correlación
con las variables meteorológicas; Estándar Nacional de Calidad Ambiental.
Abstract
In this research was determined the PM
2,5
concentration, its temporal and spatial variation in the National Agrarian Uni-
versity La Molina (UNALM) campus during July-November 2016 period and the relationship of this contaminant with
the meteorological variables. The equipment used was a Low-volume sampler brand Partisol 2000-H model, which col-
lected samples in ve monitoring points. The results achieved shown that the PM
2.5
concentration oscillates in the range
36,89 – 49,92 µg/m
3
and the average for the evaluation period at the UNALM campus was 45,24 µg/m
3
, exceeding the
Peruvian Air Quality Standard (ECA) in 15 days of the monitoring period and in almost days the World Health Orga-
nization (WHO) Guide for PM
2.5
. On the other hand, it was found that PM
2.5
concentrations, in the study area, had the
highest values during the austral winter in relation to spring, associated with a negative correlation with air temperature,
wind speed and solar radiation and positively correlated with the relative humidity.
Keywords: Air quality, PM
2.5
; Low-volume sampler; Temporal variation; Spatial variation; Correlation with meteorolog-
ical variables; National Environmental Quality Standard.
1
Departamento Académico de Ingeniería Ambiental, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional Agraria La Molina, Apartado postal 12-056 – La
Molina, Lima, Perú. Email: Email: spv@lamolina.edu.pe
1. Introducción
La contaminación del aire es un problema global que se
maniesta principalmente en las grandes ciudades (OMS,
2006). De la gran variedad de contaminantes atmosféricos,
el material particulado no (PM
2,5
) ha ido adquiriendo
importancia paulatinamente con respecto a dos puntos
de vista principales, el daño a la salud humana y su
contribución al cambio climático (SEMARNAT, 2011).
Debido al tamaño del PM
2,5
y su capacidad para ingresar
directamente al sistema respiratorio y depositarse en los
alveolos pulmonares, este ha sido asociado con causas
de morbilidad y mortalidad (Brunekreef et al., 1995;
CAFE Programme, 2004; OMS, 2006; Pope et al., citado
por Massoud et al., 2011). Asimismo, diversos estudios
concluyen que la exposición a elevadas concentraciones
de PM
2,5
puede causar enfermedades pulmonares de
obstrucción crónica, reducción de la capacidad funcional
del pulmón, incremento de la probabilidad de adquirir
cáncer de pulmón y reducción en la expectativa de vida
debido a mortalidad cardiopulmonar (Pope III et al, citado
por Yepés et al. 2010).
Para evaluar el efecto de los contaminantes atmosféricos
en el ambiente, en diferentes lugares del mundo se han
realizado investigaciones sobre la variación temporal
y espacial de los gases y el material particulado PM
10
y
PM
2,5
(Shujun Yan et al., 2016; Wang Dai & Liu Yi, 2016;
Lei Jiang & Ling Bai, 2017; Kuang Xiao et al., 2018). En
estos estudios se muestra la relación entre el incremento de
S. A. Pacsi y F. A. Murriel / Anales Cientícos 79 (2): 334 - 340 (2018)
335
la población y el parque automotor con el deterioro de la
calidad del aire, en particular con el material particulado
PM
2,5
(Wang Dai & Liu Yi, 2016). En las ciudades chinas se
muestra que el contaminante más preocupante es el PM
2,5
y sus concentraciones varían según las estaciones del año,
por ello indican la importancia de evaluar la relación que
tienen los contaminantes atmosféricos con las variables
meteorológicas (Shujun Yan et al., 2016).
Entre las capitales latinoamericanas, Lima es una de las
ciudades con el peor cuadro de contaminación atmosférica
(Salazar y Townsend, 2009). En los últimos años, las
concentraciones de material particulado no (PM
2,5
)
han superado estándares internacionales de protección
ambiental, lo cual ha motivado a las instituciones públicas a
desarrollar políticas de gestión ambiental para contrarrestar
y controlar los impactos causados por esta situación, con
la nalidad de proteger a la salud pública de los efectos
adversos (García y Tantaleán, 2008).
Los estudios del Servicio Nacional de Meteorología e
Hidrología del Perú (SENAMHI), muestran que las zonas
con los mayores niveles de contaminación del aire son
el Norte y el Este de Lima Metropolitana (SENAMHI,
2016), que tienen su relación con las fuentes de emisión,
la topografía y la dirección del viento. (García y Tantaleán,
2008; Salazar y Townsend, 2009). Las estaciones de
monitoreo de calidad del aire del SENAMHI en la zona
Este de Lima están ubicadas en los distritos de Santa Anita,
Ate Vitarte, San Juan de Lurigancho y Huachipa. Para estas
zonas se conoce las características de los contaminantes
atmosféricos, sin embargo no se conoce cuál es el estado de
la calidad del aire en La Molina, un distrito muy importante
de esta parte de Lima Metropolitana denominado distrito
ecológico y con una alta densidad de árboles. En este
distrito se ubica el campus de la Universidad Nacional
Agraria La Molina (UNALM).
Por ello, el objetivo de la presente investigación fue
determinar la concentración del material particulado PM
2,5
en el aire ambiental del campus de la UNALM, evaluar su
variación temporal y espacial y determinar su relación con
las variables meteorológicas, los Estándares Nacionales de
Calidad del Aire y las Guías de la OMS durante el período
julio a noviembre del año 2016.
2. Materiales y métodos
Descripción del lugar de investigación
El campus de la UNALM se encuentra ubicado en el distrito
de La Molina, en la zona Este de Lima metropolitana.
La Molina, es un distrito residencial, con poca actividad
comercial e industrial, pero con elevado tránsito vehicular;
sin embargo, es uno de los distritos que tiene una gran
supercie cubierta por áreas verdes, llegando a tener una
proporción de 32,91 m
2
de áreas verdes por habitante, lo
cual supera al valor mínimo referencial establecido por la
Organización Mundial de la Salud para una buena calidad
de vida, el cual es de 9 m
2
de áreas verdes por habitante
(MINAM, 2018).
A pesar de que la UNALM tienen una gran extensión
de áreas verdes y mucha cobertura arbórea, la calidad del
aire en el campus universitario puede verse afectado por
fuentes de emisión localizados alrededor de la universidad.
La principal fuente de contaminantes atmosféricos tales
como el PM
2,5
y sus precursores es el parque automotor que
circula en las avenidas La Molina, Raúl Ferrero y Alameda
del Corregidor, las cuales se caracterizan por presentar
un ujo vehicular permanente y abundante en horas
punta. Existen en el entorno del área de estudio zonas
residenciales y comerciales, fuentes naturales asociadas
a cerros sin vegetación y zonas agrícolas asociados a los
campos de experimentación de la UNALM.
La UNALM cuenta con aproximadamente 6424
estudiantes, de los cuales 5176 son estudiantes de pregrado
y 1248 son estudianes de posgrado (UNALM, 2014),
personas que diariamente utilizan sus instalaciones y se
exponen al nivel de calidad del aire de la zona.
Equipo de muestreo
Para el muestreo de PM
2,5
se utilizó un equipo muestreador
de bajo volumen marca Partisol modelo 2000-H, que
trabaja con un ujo de 16,7 litros/min y utiliza ltros de
bra de cuarzo de 47 mm de diámetro. El muestreador fue
previamente calibrado por un laboratorio acreditado en la
ciudad de Lima y el proceso de monitoreo se realizó según
lo establecido por el protocolo de monitoreo de calidad del
aire y gestión de datos de la DIGESA (DIGESA, 2005).
El análisis gravimétrico de la muestras se realizó en el
laboratorio de Ingeniería Ambiental de la UNALM.
Muestreo y evaluación de la concentración de PM
2,5
Los muestreos del PM
2,5
se llevaron a cabo en cinco puntos
de monitoreo distribuidos en el campus de la UNALM
(Figura 1 y Tabla 1).
Los puntos de monitoreo se ubicaron en las azoteas
de las siguientes edicios: Laboratorio de Ingeniería
ambiental (Estación P1), Centros Federados (Estación
P2), Auditorio A-4 (Estación P3), Ocinas de Servicios
Generales (Estación P4) y el Observatorio Meteorológico
Alexander Von Humboldt (Estación P5). Las características
de la red de monitoreo se muestran en la Tabla 1. Los
criterios de selección de los puntos de monitoreo son
la facilidad de acceso, seguridad contra vandalismo,
disponibilidad de energía eléctrica, ausencia de obstáculos
y ser representativos (DIGESA, 2005).
El período de monitoreo para las mediciones de las
concentraciones de PM
2,5
se realizó entre el 04 de julio
y 19 de noviembre del 2016. La toma de muestras fue
interdiaria durante el período de monitoreo. El tiempo de
toma de muestra fue de 24 ± 1 hora (DIGESA, 2005). El
equipo muestreador se desplazó de un punto de monitoreo
a otro cada dos semanas. En total se registraron 70 datos
diarios de concentración de PM
2,5
.
Evaluación espaciotemporal del material particulado PM
2,5
y su relación con las variables meteorológicas en la
Universidad Nacional Agraria La Molina
Julio - Diciembre 2018
336
Figura 1. Ubicación de los cinco puntos de monitoreo en el campus de la UNALM.
Tabla 1. Características de la red de monitoreo usada en el presente
estudio
Estación Lugar Altura (m) Descripción
Punto 1
Azotea del Laboratorio
de Ingeniería Ambiental
6,15
Al lado de la Av. La Molina y con
alto tránsito vehicular continuo.
Punto 2
Azotea de los Centros
Federados
5,05
Cerca al comedor universitario y
áreas agrícolas.
Punto 3
Azotea del Auditorio
A-4
5,90
Centro del campus universitario y
cercano a los salones de clase.
Punto 4
Azotea de ocina de
Servicios Generales
3,10
Al lado de la Av. Raúl Ferrero,
alto tránsito vehicular y lugar
de estacionamiento de buses
universitarios.
Punto 5
Azotea de la Estación
Meteorológica
Alexander Von
Humboldt - UNALM
3,80
Zona rodeada de campos
agrícolas. Alejado de fuentes
vehiculares.
La base de datos obtenida fue procesada y
evaluada a través del análisis exploratorio de
datos y análisis de correlación simple; además
se realizaron grácos de series temporales y
mapas de isolíneas para determinar la variación
espacial de la concentración de PM
2,5
en el área
de estudio.
3. Resultados y discusión
Evaluación de los datos de concentración de
PM
2,5
En la Figura 2 se muestra la gráca de caja
de las concentraciones de PM
2,5
en el área de
estudio. Se observa que las concentraciones de
PM
2,5
obtenidas tienden a oscilar entre valores
que van de 36,89 a 49,92 µg/m
3
, con un valor
máximo de 79,16 µg/m
3
y un valor mínimo de
24,67 µg/m
3
, los cuales fueron obtenidos en el
período de monitoreo. La mediana corresponde
a una concentración de 45,25 µg/m
3
.
Durante el período de monitoreo se midieron
simultáneamente en el área de estudio las variables
meteorológicas temperatura del aire, humedad relativa,
velocidad y dirección del viento y la radiación solar en el
Observatorio Meteorológico Alexander Von Humboldt de
la UNALM.
El cálculo de la concentración de PM
2,5
se realizó
utilizando la siguiente expresión:
C
PM2,5
= [(PF
f
-PF
i
)/V
std
] × 10
6
Dónde:
C
PM2,5
: Concentración diaria de PM
2,5
(µg/m
3
)
PF
f
: Peso de ltro con muestra (g)
V
std
: Volumen estándar de aire muestreado (m
3
)
PF
i
: Peso de ltro sin muestra (g)
Figura 2. Distribución de los valores de concentración de
PM
2,5
obtenidos durante el período de monitoreo en el área
de estudio
S. A. Pacsi y F. A. Murriel / Anales Cientícos 79 (2): 334 - 340 (2018)
337
Estos resultados concuerdan con los datos publicados
por el SENAMHI en los boletines mensuales sobre la
vigilancia de la calidad del aire en Lima Metropolitana
correspondientes a los meses de julio, agosto, setiembre,
octubre y noviembre del año 2016 (SENAMHI 2016a,
SENAMHI 2016b, SENAMHI 2016c, SENAMHI 2016d,
SENAMHI 2016e). Según el SENAMHI durante los meses
de nuestro período de monitoreo la zona de Lima Este (Santa
Anita y Ate Vitarte) presentó valores de concentración de
PM
2,5
que van de 27,0 a 59,1 µg/m
3
, siendo este rango muy
similar al que se encontró en la presente investigación.
Variación temporal de la concentración de PM
2,5
La Figura 3 muestra la variación temporal de las
concentraciones diarias de PM
2,5
obtenidas en el área de
estudio durante el período de monitoreo. Se puede observar
que durante todos los días del período de monitoreo se
superó el valor Guía de la Organización Mundial de la
Salud (OMS) para PM
2,5
denido en 25 µg/m
3
(OMS, 2006)
y en más del 41 % de los días de monitoreo se duplicó este
valor límite. Ello implica que existe un impacto negativo en
la salud de la población del área de estudio según estudios
internacionales (OMS, 2006). Desde el punto de vista legal
en 15 días del período de monitoreo (21 % del total de días)
se superan los Estándares Nacionales de Calidad Ambiental
del aire del Perú (ECA aire) actualizados en el año 2017
en 50 µg/m
3
(MINAM, 2017). Estos resultandos muestran
que el material particulado no es un problema crítico en
la zona Este de Lima metropolitana y estaría relacionado
a las emisiones del parque automotor, su antigüedad, la
calidad del combustible utilizado, las fuentes de emisión
y las condiciones meteorológicas de la zona de estudio
(Pacsi, 2016).
Figura 3. Variación diaria de la concentración de PM
2,5
(µg/
m
3
) en el aire ambiental de la UNALM en relación a la guía
de la OMS y ECA de aire nacional
Se observa en la Figura 3, que en el período entre julio
y setiembre (invierno austral) los valores de concentración
de PM
2,5
superan el ECA aire en 15 días, mientras que en
el período entre octubre y noviembre (primavera) todos
los valores están por debajo del ECA aire. Estos resultados
son similares a los encontrados en estudios realizados en
ciudades de la China (Shujun Yan et al., 2016; Kuang
Xiao et al., 2018). Esta característica estaría asociada a las
condiciones de mayor humedad ambiental en el invierno
en relación a la primavera.
Figura 4. Variación temporal de la concentración de PM
2,5
(µg/m
3
) en el aire ambiental de la UNALM durante el
invierno y primavera austral del 2016.
En la Figura 4 se observa la variación temporal de la
concentración del PM
2,5
en el invierno y primavera austral.
Durante el período de estudio se evidencia que los valores
de concentración de PM
2,5
son mayores en invierno en
relación a la primavera del hemisferio sur. Estos resultados
son similares a los encontrados en estudios realizados en
ciudades de la China (Shujun Yan et al., 2016; Kuang
Xiao et al., 2018) y se pueden asociar a las características
de las fuentes de emisión (parque automotor y fuentes
estacionarias) en el área de estudio y las condiciones
meteorológicas de la zona asociados a condiciones de
estabilidad atmosférica y altos niveles de humedad relativa
en el invierno (Pacsi, 2016).
En los estudios de He et al. (2001) y Ye et al. (2002)
se evalúan las características y comportamiento estacional
del PM
2,5
en las ciudades de Shanghái y Beijing (China),
ambos en el período 1999-2000, los cuales determinaron
que la diferencia signicativa entre las concentraciones
de PM
2,5
de invierno y las de primavera se debía a que
en la temporada de invierno, respecto a la de primavera,
se quemaba más carbón y biomasa en las viviendas con
la nalidad de obtener calefacción y poder cocinar, por
lo cual concluyeron que la quema de carbón y biomasa
para nes domésticos fue un factor muy inuyente en la
variación estacional de las concentraciones de material
particulado no.
Interrelación entre la concentración de PM
2,5
y las variables
meteorológicas
La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos de la aplicación
de la prueba de correlación de Spearman entre los datos de
concentración de PM
2,5
y la temperatura del aire, humedad
relativa, velocidad del viento y radiación solar en el área
de estudio. En dicha tabla se observa que los valores de
“p” obtenidos son menores al nivel de signicación de
la prueba (α = 0,01), lo cual indica que existe evidencia
Evaluación espaciotemporal del material particulado PM
2,5
y su relación con las variables meteorológicas en la
Universidad Nacional Agraria La Molina
Julio - Diciembre 2018
338
estadística suciente para armar que los coecientes de
correlación (r) son signicativos.
Tabla 2. Análisis de correlación de Spearman (r) y valor
p entre las concentraciones de PM
2,5
y la temperatura del
aire, humedad relativa, velocidad del viento y radiación
solar
Velocidad del Viento
-0.573
0.000
Radiación Solar
-0.339
0.004
Humedad Relativa
0.474
0.000
r
Valor p
Temperatura
-0.401
0.001
Variable Meteorológica
Se observa en la Tabla 2, que existe una correlación
negativa entre el PM
2,5
y la radiación solar, temperatura
del aire y velocidad del viento, lo que indica una
relación inversa entre las variables en evaluación. Por
consiguiente en los períodos de invierno, la radiación
solar, la temperatura del aire y la velocidad del viento
disminuyen en relación a la primavera, generando una
condición estable de la atmósfera que a su vez se asocia a
una menor turbulencia en la atmosfera y menor dispersión
de los contaminantes atmosféricos (Sánchez-Ccoyllo y
Ordóñez-Aquino, 2016), que tendría como consecuencia
que el material particulado no no se disperse y provoque
el incremento de la concentración del PM
2,5
en el área de
estudio.
También se observa en la Tabla 2 y en la Figura
5, una correlación directa entre la concentración del
PM
2,5
y la humedad relativa. En el invierno de Lima
metropolitana los niveles de la humedad relativa se
incrementan signicativamente hasta valores promedios
del 95% (Sánchez-Ccoyllo y Ordóñez-Aquino, 2016), por
consiguiente en este período las partículas nas del aire
ambiental incrementan la absorción de vapor de agua, lo
que tiene como consecuencia el incremento de la masa del
PM
2,5
y por consiguiente el aumento de la concentración del
PM
2,5
en el área de estudio (Pacsi, 2016). Estos resultados
son concordantes con los encontrados por Shujun Yan et
al. (2016) quienes evalúan las características espaciales
y temporales de la calidad del aire y contaminantes en
Beijing y concluyen que la concentración de PM
10
y PM
2,5
son relativamente mayores en primavera e invierno y
hallaron una correlación positiva con la humedad relativa y
correlación negativa con la velocidad del viento y la presión
atmosférica. Similares resultados fueron reportados por
Kuang Xiao et al. (2018).
En la Figura 6 se muestra la rosa de vientos para la
primavera e invierno del año 2016 en el área de estudio.
Se observa que la dirección predominante es del sur-
suroeste en ambos períodos. La velocidad del viento
es mayor en el período de primavera (0,5 a 5,7 m/s) en
relación al invierno (0,5 a 3,6 m/s), lo cual se relaciona a
las condiciones de estabilidad atmosférica en el período de
invierno, que se relaciona a su vez con la menor dispersión
de contaminantes atmosféricos (Pacsi, 2016).
Figura 5. Relación entre la concentración de PM
2.5
y la
humedad relativa (%) en la UNALM
Primavera Invierno
Figura 6. Rosa de vientos para la estación Alexander Von Humboldt de la UNALM, para la primavera e invierno del
año 2016
Variación espacial de la concentración de PM
2,5
La Figura 7 muestra la distribución espacial de la
concentración de PM
2,5
en el campus de la UNALM durante
el período de estudio. Se observa un núcleo de máxima
concentración cerca al Punto 1, que se encuentra al lado
S. A. Pacsi y F. A. Murriel / Anales Cientícos 79 (2): 334 - 340 (2018)
339
de una avenida de alto tránsito vehicular. Por otro lado se
observa un núcleo de menores concentraciones al noreste
del campus (P5). Esta variación se asocia la inuencia del
viento que se muestra en la Figura 8, siendo las fuentes
predominantes de esta distribución el parque automotor
y las fuentes de área y fuentes naturales ubicadas al sur
y suroeste del área de estudio. En general, los valores
promedios de concentración del PM
2,5
superan la Guía de
la OMS en todo el área de estudio y solo en algunos puntos
los valores del ECA de aire vigente.
4. Conclusiones
La concentración promedio de PM
2,5
en el aire ambiental
del campus de la UNALM, se encuentran en el rango
de 36,89 a 49,92 µg/m
3
, registrándose valores máximos
de hasta 79,11 µg/m
3
. Estos valores superan el ECA
de aire para PM
2,5
(denido en 50 µg/m
3
) en el 21 % de
los días muestreados y en el 98,5% el valor guía de la
OMS (denido en 25 µg/m
3
). Los valores promedios de
concentración de PM
2,5
en el invierno austral son mayores
que los registrados en la primavera y tienen una correlación
Figura 7. Variación espacial de la concentración de PM
2,5
en el campus de la UNALM durante el período de monitoreo
Figura 8. Inuencia de la dirección predominante del viento y las fuentes de emisión en el área de estudio
Evaluación espaciotemporal del material particulado PM
2,5
y su relación con las variables meteorológicas en la
Universidad Nacional Agraria La Molina
Julio - Diciembre 2018
340
positiva con la humedad relativa y negativa con la radiación
solar, temperatura del aire y velocidad del viento.
5. Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo brindado por el Laboratorio
de Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ciencias de la
Universidad Nacional Agraria La Molina.
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