Herramientas de bajo coste para el análisis y predicción de la contaminación atmosférica en las ciudades 

Comunicación presentada al VI Congreso Ciudades Inteligentes

Autora

• Judit Carrillo Pérez, CEO, Sistemas de Datos 

Resumen

El 91% de la población mundial vive en áreas donde los niveles de polución del aire exceden los límites que recomienda la Organización Mundial de la Salud (OMS). La contaminación del aire mata anualmente a unos 7 millones de personas en el mundo. Por otra parte, muchos de los responsables de llevar a cabo políticas medioambientales (ayuntamientos, diputaciones, comunidades autónomas, etc.) no disponen de datos suficientes para la toma informada de decisiones. Conscientes de este reto, y aprovechando su experiencia de más de 30 años de desarrollo de software, Sistemas de Datos está inmersa en un proyecto de medida de datos de contaminación aprovechando datos disponibles de satélite. Lanzado en octubre de 2017, Sentinel-5P es parte de la flota de satélites gestionada por Copernicus, el programa europeo de monitorización ambiental. Con una resolución máxima de 7 x 3.5 km, el instrumento Tropomi de Sentinel-5P puede detectar contaminación sobre ciudades concretas. Tropomi también tiene la capacidad de localizar dónde han sido emitidos los contaminantes, identificando puntos críticos en contaminación. Los datos se podrán completar con medidas IoT y utilizarse para análisis predictivo con inteligencia artificial.

Palabras clave

Pacto Alcaldes, Contaminación Atmosférica, IoT, Sensores Medioambientales, Ciudades Inteligentes

Introducción

La OMS reconoce que la contaminación del aire es un factor de riesgo crítico para las enfermedades no transmisibles, ya que se estima que causa una cuarta parte (24%) de todas las muertes de adultos por cardiopatías, el 25% de las muertes por accidentes cerebrovasculares, el 43% de las muertes por neumopatía obstructiva crónica y el 29% de las muertes por cáncer de pulmón.

Los contaminantes gaseosos más comunes son el dióxido de carbono (como gas de efecto invernadero), el monóxido de carbono, los hidrocarburos, los óxidos de nitrógeno, los óxidos de azufre y el ozono. Diferentes fuentes producen estos compuestos químicos, pero la principal fuente artificial es la quema de combustible fósil. Los contaminantes gaseosos del aire provienen tanto de fuentes naturales como los volcanes, como de origen antropogénico, ej.: industrias. El tipo más comúnmente reconocido de contaminación del aire es la niebla tóxica (smog).

Los aerosoles (también llamados material particulado) son una mezcla heterogénea de partículas sólidas o líquidas suspendidas en el aire.​ Algunas son lo suficientemente grandes y oscuras para verse en forma de hollín o humo. Otras son tan pequeñas que solo pueden detectarse con un microscopio electrónico. Cuando se respira el aerosol, las partículas que contiene pueden entrar en los pulmones, irritarlos y dañarlos, con lo cual se producen problemas respiratorios. Los aerosoles de carbono negro tienen la capacidad de adsorber compuestos cancerígenos en la superficie de sus partículas. Las partículas finas, representadas con PM2,5 (tamaño inferior a 2.5μm), mientras que las gruesas se representan con PM10, se inhalan de manera fácil profundamente dentro de los pulmones, donde pueden permanecer durante prolongados períodos de tiempo —causando, mientras tanto, efectos irritantes, inflamatorios y cancerígenos​— o ser absorbidas por el torrente sanguíneo.

Las principales fuentes de contaminación del aire provocada por partículas finas son el uso ineficiente de energía en los hogares y los sectores de la industria, la agricultura y el transporte, y las centrales eléctricas alimentadas con carbón. En algunas regiones, la arena y el polvo del desierto, la quema de desechos y la desforestación son fuentes adicionales de contaminación del aire. La calidad del aire también puede verse influida por elementos naturales, como factores geográficos, meteorológicos y estacionales.

A pesar de la importancia que tiene la calidad del aire en la salud de los ciudadanos, muchas ciudades no disponen de estaciones de medida de contaminación, o con la distribución necesaria, por su elevado precio de adquisición y mantenimiento.

La Unión Europea está realizando importantes inversiones en satélites, con el objetivo de monitorizar el estado y la salud del Medio Ambiente. El programa Copernicus es la piedra angular del esfuerzo continuado de la Unión Europea para monitorizar el medio ambiente y sus muchos ecosistemas, garantizando al mismo tiempo que sus ciudadanos estén preparados y protegidos frente a las crisis, los desastres naturales y las catástrofes causadas por el hombre.

Gracias a varias décadas de inversión en investigación y desarrollo tecnológico por parte de la Unión Europea, el programa Copernicus se fundamenta sobre una amplia base de conocimiento científico, y representa un claro ejemplo de cooperación estratégica europea en investigación espacial y desarrollo industrial.

El programa Copernicus pone a disposición de los ciudadanos, las entidades públicas, los responsables políticos, los científicos, los emprendedores y las empresas, un extenso mundo de información y conocimiento sobre nuestro planeta, de manera completa, abierta y gratuita.

El Sentinel-5 Precursor es la primera misión del Copérnico Programa encargada de monitorizar la contaminación atmosférica. El instrumento que usa es un espectrómetro llamado Tropomi.
Tropomi (del inglés TROPOspheric Monitoring Instrument, es decir, instrumento de monitorización atmosférica) es un espectrómetro capaz de monitorizar gases como ozono, metano, formaldehído, aerosol, monóxido de carbono, NO2 y SO2 en la atmósfera.

Descripción del proyecto

El proyecto desarrollado por Sistemas de Datos suministra datos de contaminación: NO2, SO2, O3 y partículas, a partir de medidas de satélite, parametrizadas para cada región/municipio. La resolución espacial de los datos es de hasta 7 x 3.5 km, con una actualización cada 24h. Esta elevada resolución espacial permite detectar la contaminación del aire de ciudades concretas.

Los datos se actualizarán mediante servicio web, con suministro en formato compatible para la publicación en los medios del ayuntamiento/corporación (web o Apps) .

Sistemas de Datos también ofrece consultoría sobre contaminación: riesgo, valores umbrales y medidas de reducción y disminución. También colabora con el análisis de la idoneidad de instalación de sensores físicos, como dispositivos IoT (internet de las cosas), o el uso de los datos para un estudio predictivo de contaminación.
Las políticas de reducción de contaminación contribuyen a disminuir, en paralelo, la emisión de gases de efecto invernadero.

Metodología

Los servicios web (web services) son aplicaciones ofrecidas como servicios que pueden ser integradas con otros web services, utilizando estándares de Internet y componentes de software reutilizables escritos en XML que usan SOAP para comunicarse entre ellos. Estos servicios web pueden invocarse en el momento de ejecución, permitiendo aplicaciones e integración al momento.

Sistemas de Datos trabajará con estos servicios para suministrar la información de la contaminación, centrada en cada localización, de manera que se pueda integrar de una manera sencilla en las webs y/o APP con las que trabaja cada corporación.

Resultados y datos obtenidos

Durante la cuarentena del COVID-19, se ha producido una reducción notable del tráfico rodado, marítimo y aéreo. En las Islas Canarias, Sistemas de Datos ha medido, con este proyecto, el dióxido de nitrógeno en columna, un día de diciembre de 2019 y otro durante el confinamiento. En los datos de diciembre se puede apreciar claramente la situación de las zonas metropolitanas (Santa Cruz y Las Palmas de Gran Canaria), zonas de aeropuertos y puertos.

Durante el confinamiento, como era previsible por la disminución del tráfico, se mide una notable reducción de dióxido de nitrógeno.

Discusión de estos

Los datos de satélite tienen una buena resolución espacial (la resolución temporal es de 24h, aproximadamente), pero no pueden sustituir a estaciones de medida continua en ubicaciones que por su importancia (Ej.: Industria contaminante, exigencia normativa de medidas en continuo, etc.) requieran de estaciones físicas dotadas de instrumentos con unas resoluciones determinadas en los diferentes contaminantes.

En estos casos, los datos de satélite servirán para tener un plan de contingencia ante un fallo de las estaciones físicas, y también para informar a los ciudadanos, de manera intuitiva, de la calidad de aire de sus ciudades.

Conclusiones

La calidad del aire tiene una repercusión directa en la salud de los ciudadanos. La medida de la contaminación es imprescindible para el diseño de políticas y para mantener informadas a las entidades con competencias en la salud y a los ciudadanos.

La Unión Europea, consciente de esta necesidad, está realizando importantes inversiones en satélites.
En este proyecto propone el uso de estos datos por parte de las entidades públicas para avanzar y reforzar el estudio de la calidad del aire.

Agradecimientos

Queremos agradecer al Programa Copérnico de la Agencia Espacial Europea su distribución en abierto de los datos del satélite Sentinel 5p.

Referencias

• ISSN 1977-8449. Air quality in Europe — 2019 report. Report No 12/2018, European Environment Agency.
• ISSN 1977-8449. Air quality in Europe — 2019 report. Report No 12/2018, European Environment Agency.
• Milford, C.; Cuevas, E.; Marrero, C.L.; Bustos, J.; Gallo, V.; Rodríguez, S.; Romero-Campos, P.M.; Torres, C.: Impacts of Desert Dust Outbreaks on Air Quality in Urban Areas, Atmosphere 2020, 11, 23, doi.org/10.3390/atmos11010023
• OMRANI Hichem, OMRANI Bilel, PARMENTIER Benoît, HELBICH Marco. Spatio-temporal data on the air pollutant nitrogen dioxide derived from Sentinel satellite for France. Data in Brief, 2020, vol. 28, n°105089, doi.org/10.1016/j.dib.2019.105089
• Sistema Caliope
• Comisión Europea
• Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)
• Pacto de las Alcaldías
• Copernicus
• Organización Mundial de la Saluz