Estimación de un inventario de emisiones de compuestos orgánicos volátiles generados por fuentes biogénicas para el departamento de Caldas

Abstract

Las emisiones de Compuestos Orgánicos Volátiles Biogénicos -COVB responden fuertemente a pequeños incrementos de temperatura, lo que puede conducir a niveles de emisión más altos de lo esperado (Lindwall et al., 2016). En la tropósfera, la temperatura tiene una alta correlación con la altitud (IDEAM, 2014a), y en Caldas donde se desarrolló este trabajo, se encontraron factores de correlación (R2) entre éstas dos (2) variables de hasta 0.98. Considerando que en Caldas la altitud varía entre 140 y 5235 msnm en cortas distancias, en este trabajo se desarrolló un modelo para estimar las emisiones biogénicas de compuestos orgánicos volátiles teniendo en cuenta el gradiente altitudinal usando el software Matlab y un Sistema de Información Geográfica SIG, en este caso el software ArcMap. El modelo se destaca por trabajar con resoluciones muy altas (como la mostrada en este trabajo de 90x90m), sin necesitar mucha capacidad computacional. También sobresale por procesar la temperatura en función de la altitud y por permitir analizar la información espacialmente. Adicionalmente, utiliza información local precisa y abierta al público como son las variables temperatura y radiación solar.

En este trabajo, se estimó por primera vez un inventario de emisiones de COV de origen biogénico para el departamento de Caldas, considerando como año base el 2013 y usando factores de emisión -FE reportados en la literatura. Se obtuvieron resultados temporales (horarios), espaciales y por cobertura de suelo. El mapa de uso y cobertura del suelo para Caldas se obtuvo en una escala 1:100.000 construido por el Instituto Agustín Codazzi –IGAC para el año 2010 (el más actualizado a la fecha de este estudio); no se encontraron cambios significativos para el año base 2013. Las categorías principales para uso y cobertura del suelo encontradas para el departamento de Caldas fueron: cultivos (35%), pastos (34%) y bosques (29%). Estas categorías fueron homologadas con la información de FE disponibles en la literatura.

El análisis preliminar de variables meteorológicas demostró que el año 2013 fue un año que no tuvo influencia de fenómenos como La Niña o El Niño, es decir, es considerado un año normal. El análisis estadístico de los datos de temperatura y radiación solar mostró continuidad y buena cobertura de datos para este año. Para determinar los efectos altitudinales en temperatura y radiación solar se utilizó un modelo de elevación digital disponible del satélite ASTER de la NASA https://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp.

Se estimaron emisiones totales de isopreno, monoterpenos y otros COVB, posteriormente se realizó una especiación para monoterpenos. Se evaluaron dos temporadas hidrológicas típicas de esta región, para esto se tomó un día de la temporada húmeda (29 de noviembre del 2013) y un día de la temporada seca (06 de enero del 2013), con cálculos de 24 horas para cada día. Las estimaciones permitieron cuantificar 21200 toneladas de COVB emitidas en el año 2013, siendo mayores hasta en un 35% las emisiones en días de temporada seca que en días húmedos. De las emisiones biogénicas en el departamento, las mayores son dadas por los bosques (70%) y aumentan entre las 13:00 y 16:00 horas donde la radiación solar es mayor. La especiación estimó que el alfa-pineno es el responsable de las 2/5 partes de los monoterpenos totales.

Un análisis complementario a las emisiones de COVB se realizó en este trabajo con datos de ozono, considerando la relación que existe entre la formación de ozono y las emisiones de COV. Datos de monitoreo pasivo y activo para el año 2014 a 2015 estaban disponibles para la región (Cuesta-Mosquera et al., 2017). Se observó que el ozono tiene un creciente aumento de la zona urbana a la rural pasando de 14.65 a 90.14 µg m-3 en una distancia de 20 km, representando concentraciones que sobrepasan los promedios de otras regiones de Colombia. Unos de los principales precursores de la acumulación de ozono en la troposfera son los Compuestos Orgánicos Volátiles –COV, que son emitidos mayoritariamente por la vegetación. Para encontrar cual es la relación entre las fuentes biogénicas y las concentraciones de ozono, es necesario estimar los flujos de COV en Manizales y sus alrededores, además continuar con el monitoreo de ozono y otros contaminantes como los NOx. Por lo tanto, este trabajo es una primera aproximación para entender la dinámica de las emisiones de compuestos orgánicos volátiles en la región y su efecto sobre otros contaminantes (Texto tomado de la fuente)

Biogenic Volatile Organic Compounds –BVOCs respond strongly to small increases of temperature, which can lead to high emission levels (Lindwall et al., 2016). Temperature in the troposphere has a high correlation with altitude (IDEAM, 2014a), in Caldas, the place where this work was developed, correlation factors (R2) were found between temperature and altitude up to 0.98. Considering that in Caldas the altitude changes drastically in short distances with a range between 140 and 5235 m.s.l, in this work, a model was developed to estimate biogenic emissions of volatile organic compounds considering altitudinal gradient using the Matlab software and a Geographic Information system –GIS, in this case ArcMap. The model stands out for working with high resolutions (like showed in this work 90x90m) without requiring much computational capacity. Also, it processes the temperature with altitude and lets the results be shown in a GIS allowing the analysis of the information spatially. Additionally, it uses precise and open to the public local information as meteorological variables.

For the first time, a biogenic VOCs emissions inventory was estimated for this region with 2013 as the base year using emission factors –EF reported in the literature. Temporary (hourly), spatial and per soil coverage results were given. The use and coverage soil map for Caldas was given on a scale 1:100.000 built by Instituto Agustín Codazzi –IGAC for the year 2010 (The most current until the date of the study), showing insignificant changes for the base year 2013. The main soil coverage categories found by the Caldas department were: crops (35%), grass (34%), and forests (29%). These categories were homologated with EF information available in the literature.

Preliminary analysis of meteorological variables proved that the year 2013 is a year without influence of the Niño or Niña; this means it’s considered a normal year. Statistical analysis for temperature and solar radiation data evidenced continuity and good quantity of data for this year. A Digital Elevation Model from satellite ASTER available in NASA’s page https://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp was used to determinate altitudinal effects.

Total emissions of isoprene, monoterpenes and other VBOCs were estimated and later a speciation of monoterpenes were made. Two typical hydrological seasons of that region were evaluated, one (1) day of wet season (November 29th 2013) and one (1) day of dry season (January 06th 2013) with calculations of 24 hours for each day. Estimations allowed 21200 BVOC tons in the year 2013 to be quantified with the emissions of the dry day being 35% higher than the wet day. The greatest emissions in the department were attributed by the forests (70%), and the maximum was usually between 13:00 and 16:00 hours where the solar radiation was highest. The speciation estimated that alfa pinene emits 2/5 of the total monoterpenes.

A complementary analysis to the BVOC emissions was made for this work with ozone data, considering the relation between ozone formation and VOC emissions. Passive and active monitoring data for 2014 and 2015 years was available for the region (Cuesta-Mosquera et al., 2017). It was observed that ozone has a growing increase from urban to rural zones, passing from 14.65 to 90.14 µg m-3 in 20 km, representing concentrations that exceed the averages in other regions of Colombia. One of the major precursors of accumulation of ozone in the troposphere are the VOCs that are emitted mainly by vegetation. To find the relation between biogenic sources and ozone concentrations, it is necessary to estimate BVOC fluxes in Manizales and its surroundings and to continue with ozone monitoring and other pollutants like NOx. Consequently, this research is an initial approximation for understanding the dynamic of the emissions of VOCs in the region and its impacts on other pollutants.