Determinación de la inversión térmica (IT) a través de imágenes satelitales y su relación con los perfiles de gases obtenidos del satélite Sentinel-5P

La calidad del aire se ha convertido en una preocupación significativa para muchas ciudades alrededor del mundo, esto debido a que los efectos derivados de una deficiente calidad del aire pueden causar diversos problemas en las personas, animales, ecosistemas y recursos materiales; en el Ecuador el crecimiento acelerado de la población, trae consigo la presencia de una elevada densidad vehicular e industrial; ocasionando la presencia de varios contaminantes, entre los principales se encuentran el Ozono (O3), Dióxido de Azufre (SO2), Dióxido de Nitrógeno (NO2), Monóxido de Carbono (CO) y Formaldehído (HCHO), sumado a esto, diversos factores meteorológicos influyen en el comportamiento de la contaminación atmosférica, por ejemplo, las inversiones térmicas (IT's); que se definen como un fenómeno de aumento de la temperatura del aire con la altitud, siendo factor crítico que afecta la calidad del aire dado que su ocurrencia en zonas y niveles en donde hay liberación constante de contaminantes impide su dispersión llegando así a intensificar su concentración. Ecuador carece de instrumentos que permitan medir las variables necesarias para llevar a cabo estudios sobre este tema, por lo que las imágenes satelitales nos brindan información fiable y de fácil acceso para cumplir con este estudio, el objetivo principal de la investigación es determinar si existe una relación entre el fenómeno de inversión térmica y episodios de contaminación atmosférica a nivel de todo el Ecuador, durante el período comprendido entre diciembre del 2018 hasta enero del 2020, para lo cual se utilizaron datos diarios de perfiles de Dióxido de Nitrógeno, Monóxido de Carbono, Dióxido de Azufre, Ozono, Formaldehído, proporcionados por el satélite SENTINEL-5P y perfiles de temperatura obtenidos del reanálisis climático ERA 5, los cuales se validaron con los datos in situ obtenidos por las estaciones meteorológicas proporcionadas por el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrologías (INAMHI) , la inversión térmica se determinaron mediante el cálculo del gradiente de temperatura donde se determinaron las características principales de las IT como la frecuencia, profundidad y fuerza, finalmente correlacionamos los periodos de inversión térmica con episodios de contaminación, los resultados de la validación de datos confirmaron una correlación positiva fuerte entre los datos de temperatura in situ y los proporcionados por ERA5, se evidenciaron zonas en donde se presentaron hasta 320 días con ocurrencia de IT's a lo largo del periodo de estudio, a nivel regional, el Oriente presenta el mayor número de inversiones concentrando el 42% de ellas, el promedio general para la fuerza de las IT’s a nivel nacional es de 0.98 ⁰C, la profundidad de las inversiones de superficie presentó un rango intercuartílico de 200 m a 700 m y para las inversiones elevadas la profundidad fue de 1237.497m, respecto a la relación con los contaminantes, en nuestra investigación se encontraron relaciones fuertes de IT con HCHO ( R2= 0.763) así mismo con SO2 ( R2= 0.680), relaciones moderadas entre IT y O3 ( R 2= 0.570) , de la misma manera con CO (R2= 0.577) , se encontró una débil relación entre IT y NO2 (R2= 0.262), también los resultados demuestran que existen variaciones significativas entre regiones en la concentración de contaminantes, períodos y niveles en los cuales se producen las IT´s, finalmente es necesario mencionar que este estudio es fundamental para conocer el comportamiento de contaminantes en presencia de fenómenos meteorológicos y proporciona una base de datos para discusiones científicas sobre estrategias integradoras para prevenir la exposición de la población a estos contaminantes y mitigar su acumulación garantizando así la calidad de vida en Ecuador

Air quality has become a significant concern for many cities around the world, this because the effects derived from poor air quality cause several problems in people, animals, ecosystems and material resources; in Ecuador, the population′s accelerated growth brings with it the presence of a high vehicular and industrial density; bringing about presence of many pollutants, among the main ones are Ozone (O3), Sulfur Dioxide (SO2), Nitrogen Dioxide (NO2), Carbon Monoxide (CO) and Formaldehyde (HCHO), added to this, various meteorological factors influence the behavior of air pollution, for example, thermal inversions (TI's); which are defined as a phenomenon of increase in air temperature with altitude, being a critical factor that affects air quality because it occurrence in areas and levels with a constant release of pollutants limiting their dispersion and intensifying their concentration. Ecuador lacks instruments that allow measuring the necessary variables to carry out studies on this topic, so satellite images provide us with reliable and easily accessible information to comply with our study, the main objective of our research is to determine if there is a relationship between the phenomenon of thermal inversion and episodes of atmospheric pollution in Ecuador, during the period from December 2018 to January 2020, for which we used daily profile data of Nitrogen Dioxide, Carbon Monoxide, Sulfur Dioxide, Ozone, Formaldehyde, provided by SENTINEL-5P and temperature and pressure profiles provided by ERA 5, which were validated with the in situ data obtained by INAMHI meteorological stations, the thermal inversion was determined by calculating the temperature gradient where the main characteristics of the IT's such as frequency, depth and strength were analyzed, finally the periods of thermal inversion with pollution episodes were correlated, the data validation results confirmed a strong positive correlation between the in situ data and those provided by ERA5, areas were evidenced where up to 320 days with occurrence of IT's throughout the study period were presented, at the regional level, Oriente region presents the largest number of TI concentrating 42% of them, the general average for the strength at the national level is 0.98 ⁰C, the depth of the surface inversions presented a IQR of 200 m to 700 m and for the high inversions the depth was 1237.497m, regarding the relationship with pollutants, in our research strong TI relationships were found with HCHO ( R2 = 0.763) as well as with SO2 ( R2 = 0.680), moderate relationships between TI and O3 ( R2 = 0.570) , in the same way with CO (R2 = 0.577), a weak relationship between TI and NO2 (R2 = 0.262) was found, also our results show significant variations between regions in the concentration of pollutants, periods and levels in which IT's are produced, finally is necessary to mention that, this study is fundamental to know the behavior of pollutants in the presence of meteorological phenomena and provides a database for scientific discussions about integrative strategies to prevent the exposure of the population to these pollutants and mitigate their accumulation thus guaranteeing the quality of life in Ecuador

Ingeniero Ambiental

Cuenca