CARTOGRAFÍA DE LA CONTAMINACIÓN A TRAVÉS DE SENSORES PORTÁTILES. EL MAPA DE LA CALIDAD DEL AIRE URBANO DE PAMPLONA

J.J. Pons1, J.M. Santamaría2, A. Ariño3, M. Serrano1, D. Galicia3, D. Elustondo2, E. Baquero3

1Departamento de Historia, Historia del Arte y Geografía, Universidad de Navarra. jpons @ unav .es ; miriserrano@unav.es2Departamento de Química, Universidad de Navarra. chusmi@unav.es; delusto@unav.es3Departamento de Biología Ambiental, Universidad de Navarra. artarip@unav.es; dgalicia@unav.es; ebaquero@unav.es

RESUMEN

La calidad del aire urbano es un aspecto muy relevante para el bienestar de los ciudadanos y está cada vez más presente en el debate social y político. Para contar con una atmósfera saludable en nuestras ciudades, resulta necesario disponer de información detallada sobre cómo se distribuye la contaminación en cada punto de la ciudad y no solo en torno a las cabinas de control de calidad del aire.

En este contexto, se inscribe el proyecto LIFE+ RESPIRA (2014-2017), concebido como una iniciativa de ciencia ciudadana, en la que cerca de 150 ciclistas voluntarios han recorrido el área metropolitana de Pamplona a lo largo de dos años, equipados con captadores geolocalizados de diferentes tipos de contaminantes atmosféricos (CO, NOX, O3 y partículas en suspensión).

A lo largo de ese tiempo, los voluntarios han recorrido unos 47.000 km en bicicleta, contribuyendo a obtener casi 150 millones de medidas en más de 4 millones de posiciones geolocalizadas a lo largo de las calles de la ciudad y sus alrededores, cubriendo la mayoría de las situaciones estacionales, horarias, climáticas y de tráfico de un año típico.

Con toda esa ingente cantidad de información se ha podido realizar gran cantidad de mapas muy detallados de la calidad del aire, que han permitido modelizar el comportamiento de cada contaminante estudiado de acuerdo a las diferentes condiciones que se presentan.

Palabras clave: cartografía; calidad del aire; contaminación urbana; ciencia ciudadana; sensores

ABSTRACT

Urban air quality is a very important issue for the wellbeing of citizens and it is increasingly present both in the social and political debate. In order to build a healthy atmosphere in our cities, it is necessary to obtain detailed information about how pollution is distributed across every corner in the city, rather than just near air quality monitoring stations.

In this context, the project LIFE + RESPIRA (2014-2017) was conceived as a citizen science experiment. During two years, about 150 volunteers commuted throughout the Metropolitan Area of Pamplona while carrying a range of compact gas and particle sensors (CO, NOX, O3 and PMX).

The volunteers traveled about 47,000 km by bicycle, contributing about 150 million measurements from more than 4 million geolocated positions along the city and its surroundings, covering most of the seasonal, time, climatic and traffic situations in a typical year.

This copious volume of information was used to generate a large quantity of detailed air quality maps, enabling researchers to model the behavior of each contaminant according to the variety of environmental conditions occurring over time.

Keywords: cartography; air quality; urban pollution; citizen science; sensors

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1. INTRODUCCIÓN

La calidad del aire urbano es hoy en día un aspecto no solo de interés científico, sino también —y de forma creciente— de preocupación técnica, política y ciudadana. Esto no debe extrañar, ya que en los últimos años la contaminación urbana ha pasado a colocarse en primer plano de la actualidad, debido a las consecuencias que tiene en el medio ambiente y en la salud humana.

Son bien conocidos los casos de las grandes ciudades europeas que han tenido que adoptar medidas drásticas de control del tráfico urbano para atajar o al menos paliar los efectos de la contaminación en momentos puntuales. En España, tanto Madrid como Barcelona han desarrollado los correspondientes planes de actuación para casos de contaminación por NO 2

(Ayuntamiento de Madrid, 2016; Área Metropolitana de Barcelona, 2017), de acuerdo con la normativa europea y española en esta materia. En ambas ciudades se contemplan medidas de restricción del tráfico de automóviles para los diferentes escenarios y en el caso de Barcelona también de otras actividades potencialmente peligrosas como las industriales o las obras públicas.

Estos protocolos ya han tenido que ser activados en varias ocasiones en los últimos dos años, lo que ha hecho que los ciudadanos tomen conciencia del problema que supone la contaminación en las ciudades para su salud. No en vano, los estudios dados a conocer por la Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA, 2017a), correspondientes al año 2014, indican que solo las partículas en suspensión menores a 2,5 micras fueron responsables ese año de 399.000 muertes prematuras en el conjunto de países de la Unión Europea. En la misma línea, la Organización Mundial de la Salud (WHO, 2016) señala que la cifra de muertes atribuibles a la contaminación atmosférica para el conjunto del planeta en 2012 fue de 3 millones de personas.

La principal manifestación del creciente interés por la contaminación atmosférica en las ciudades, es el paso de estos asuntos desde los despachos y los informes oficiales, a los medios de comunicación escritos y audiovisuales, que los han popularizado como tema de conversación entre los ciudadanos.

Las instituciones y centros de investigación han reaccionado interesándose igualmente por mejorar la calidad y cantidad de información que se recoge y llega a la población. Un buen ejemplo de ello es la creación por parte de la Agencia Europea de Medio Ambiente del denominado European Air Quality Index (EEA, 2017b), que ofrece información en tiempo real de cinco de los principales contaminantes atmosféricos: dióxido de nitrógeno (NO2), dióxido de azufre (SO2), partículas en suspensión (PM2,5 y PM10) y ozono troposférico (O3).

Esta aplicación muestra sobre un mapa web interactivo (Figura 1) el peor resultado obtenido por cualquiera de esos cinco contaminantes para cerca de 2000 estaciones de medición repartidas por toda Europa.

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Figura 1. Mapa web del European Air Quality Index (EEA, 2017b).

La investigación científica también ha respondido a los retos que supone este desafío. A modo de ejemplo, realizando una búsqueda en la base de datos Scopus de los artículos que incluyen de forma señalada los términos “urban air pollution”, el resultado obtenido permite apreciar (Figura 2) el creciente interés por la investigación sobre la calidad del aire en las ciudades.

Figura 2. Número de artículos recogidos en la base Scopus con los términos “urban air pollution” en el título, en el abstract o en las palabras clave (1990-2017). Elaboración propia a

partir de la web de Scopus (https://www.scopus.com).

Mucho más escasas son las referencias a artículos que, además de la contaminación atmosférica, introducen como argumento principal la cartografía de este fenómeno. Aparecen

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solo 57 artículos publicados entre 1990 y 2017 (Figura 3), frente a los 1716 de la búsqueda anterior.

A pesar de lo reducido de este número, se aprecia igualmente un reciente aumento del interés por la plasmación espacial del fenómeno de la contaminación en las ciudades: dos tercios de los artículos que abordan el cartografiado de la contaminación urbana han sido publicados en los últimos seis años.

Figura 3. Número de artículos recogidos en la base Scopus con los términos “urban air pollution” y “map” en el título, en el abstract o en las palabras clave (1990-2017). Elaboración propia a partir de la web de Scopus

(https://www.scopus.com).

Este interés actual por cartografiar la contaminación urbana tiene mucho que ver con el floreciente desarrollo de tecnologías móviles y de bajo coste para la monitorización de la calidad del aire y con el auge de la denominada “ciencia ciudadana” (Bonney et al., 2009), como forma de recoger grandes cantidades de datos, en una amplia variedad de ubicaciones y durante largos períodos de tiempo. La combinación de ambos aspectos ha permitido multiplicar los puntos de muestreo por toda la ciudad. De las redes oficiales de medición de la calidad del aire, instaladas en grandes y costosas cabinas fijas, se ha pasado a disponer de un número muy superior de equipos que, aunque con menor precisión que estas, permiten apreciar diferencias en la microescala local (Borrego et al., 2016; Kumar et al., 2015; Mijling et al., 2017) y, por tanto, cartografiar con mucho detalle la contaminación de las calles y plazas de las ciudades.

En línea con la utilización de este tipo de tecnologías, el Proyecto LIFE+ RESPIRA (2014-2017) ha servido para obtener un exhaustivo banco de datos sobre la calidad del aire en el área metropolitana de Pamplona, cuya resolución espacial permite la realización de mapas de contaminación muy detallados.

El proyecto LIFE+ RESPIRA (www.liferespira.eu) ha sido coordinado por la Universidad de Navarra y en él han participado también como socios el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) y la empresa pública Gestión Ambiental de Navarra (GAN/NIK), así como Pavimentos Tudela en calidad de co-financiador. En él han trabajado más de 30 investigadores. Cerca de la mitad pertenecientes a tres facultades de la Universidad de Navarra y el resto a diferentes departamentos de CIEMAT y a la empresa GAN/NIK.

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Además, ha contado con la colaboración del Ayuntamiento de Pamplona, la Mancomunidad de la Comarca de Pamplona, la Universidad Pública de Navarra, la UNED, la Fundación Caja Navarra, la Asociación de Medios de Transporte Saludables y la empresa Oraintxe.

El proyecto LIFE+ RESPIRA ha tenido por objeto analizar la exposición de ciclistas y peatones a los contaminantes atmosféricos urbanos y explorar su reducción a través de la implementación de medidas relacionadas con una adecuada planificación y gestión urbana, así como el cambio de hábitos sociales a través de la concienciación y educación ambiental (Santamaría et al., 2017). Además de este objetivo general, también se contemplan otros de carácter específico entre los que se encuentra el siguiente: “Elaborar mapas de distribución de contaminantes, próximos a las condiciones reales y a escala fina, que sirvan para mejorar la planificación y gestión urbana en distintos ámbitos” (Santamaría et al., 2017: p.6).

2. METODOLOGÍA

Hasta la fecha, el análisis de la calidad del aire en Pamplona se ha estado midiendo a través de las tres estaciones de control existentes en el área metropolitana de la capital navarra (Figura 4). Dos de ellas (Rotxapea e Iturrama) son estaciones urbanas de fondo, es decir, representativas de la exposición a los contaminantes de la población en general; mientras que la tercera (Plaza de la Cruz) es de las denominadas “de tráfico”, por estar situada a pie de calzada y, por tanto, muy influenciada por el paso de vehículos en el punto concreto en el que se sitúa.

Si bien esta red permite (sobre todo a partir del seguimiento de las estaciones de fondo) tener una idea general de la evolución de la calidad del aire en la ciudad, resulta del todo imposible extrapolar sus datos a escala microurbana, descubriendo así qué barrios de la ciudad e incluso qué calles y plazas están más o menos contaminados.

Figura 4. Imágenes y localización sobre el plano de las estaciones de control de la calidad del aire en Pamplona. 1.

Rotxapea; 2. Plaza de la Cruz; 3. Iturrama. Fotografías: Gobierno de Navarra (http://www.navarra.es).

Con el fin objetivo de analizar la calidad del aire con una precisión espacial mucho mayor, se han diseñado y desarrollado 50 captadores (Figura 5) que integran diferentes sensores (electroquímicos y contadores ópticos de partículas) de contaminantes de la marca AlphaSense: monóxido de carbono (CO), monóxido de nitrógeno (NO), dióxido de nitrógeno (NO2), partículas en suspensión (PM1, PM2,5 y PM10) y ozono troposférico (O3). También disponen de sensores de temperatura y humedad, además de un geolocalizador por satélite (GPS y GLONASS).

Los captadores toman 5 lecturas por segundo, pero las promedian cada 10 segundos. La información resultante, junto con el dato de localización geográfica, es transmitido automáticamente a una nube, a través de una unidad de transmisión GPRS, cada media hora o antes si el aparato se va a desconectar.

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Al igual que se ha hecho en otros trabajos que utilizan sensores de bajo coste (Mijling et al., 2017), ha sido preciso calibrar periódicamente los mismos, comparando entre sí las lecturas de cada uno de los captadores en condiciones controladas, y también contrastando estas con los datos ofrecidos por las cabinas oficiales de medición de la calidad de aire.

Los captadores han sido utilizados por un amplísimo número de ciclistas voluntarios (cerca de 150), que los han portado en las cestas de sus bicicletas, tal y como puede verse en la Figura 6. La colaboración de los voluntarios se ha logrado a través de diferentes medios, que incluyen un vídeo promocional (https://www.youtube.com/watch?v=vV--l1135KA), flyers distribuidos por los aparcamientos de bicicletas de la ciudad, redes sociales, noticias aparecidas en medios de comunicación escritos y audiovisuales locales (http://www.liferespira.eu/es/presencia-en-los-medios.html), contactos con asociaciones relacionadas con la bicicleta, etc.

Figuras 5 (izquierda) y 6 (derecha). Captador portátil desarrollado en el marco del proyecto LIFE+ RESPIRA y

fabricado por la empresa Kunak. En la figura 4 se aprecian los diferentes sensores y componentes internos del captador y en la figura 5 se puede ver este montado y sobre la cesta de una bicicleta.

Dado que el número de voluntarios ha sido superior al de captadores disponibles, se ha tenido que organizar un sistema de intercambio en colaboración con los centros cívicos de la ciudad y las universidades. Para ello ha sido preciso desarrollar una aplicación on line específica para este fin, similar a la que se utiliza para reservar y prestar libros en una biblioteca.

Además de los ciclistas, también se ha contado con la colaboración desinteresada de varios taxistas de la ciudad, a los que se instaló el captador en su vehículo y gracias a los cuales en solo unos meses se obtuvo una ingente cantidad de información. Su contribución ha sido particularmente interesante, ya que ha servido para llegar a lugares (rondas de circunvalación, por ejemplo) y medir en momentos (horario nocturno) que los ciclistas no estaban cubriendo suficientemente.

Por último, para conocer algunos parámetros biomédicos asociados a la actividad y al esfuerzo físico realizado por los ciclistas en sus desplazamientos urbanos, algunos voluntarios fueron sometidos a varias pruebas médicas (encuestas de salud, espirometrías, etc.) y equipados con un pulsómetro, que convenientemente sincronizado con las lecturas de los captadores, ha servido para conocer mejor la inhalación de contaminantes por parte de los ciclistas.

Gracias al alto número de captadores para estudiar una sola ciudad, a su carácter móvil y al extenso margen de tiempo en el que han estado circulando (2 años de trabajo de campo), se ha conseguido una amplia cobertura espacial, que abarca prácticamente todas las calles y lugares públicos de la ciudad. Además, con una frecuencia de muestreo tan elevada se obtiene una resolución de apenas unos pocos metros, lo que —como se verá— permite representar los datos sobre un mapa y obtener una información muy desagregada.

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3. RESULTADOS

A lo largo de los dos años que ha durado el período de análisis del proyecto, los captadores han recorrido 62.000 km por distintas localidades del área metropolitana de Pamplona. En estos viajes se han generado algo más de 13 millones de muestras, de las que —finalmente— se han usado aproximadamente 12 millones en distintos análisis. De ellas, 3,5 millones se corresponden con muestras válidas obtenidas en los recorridos por la ciudad (Santamaría et al., 2017).

Esta base de datos estará disponible en abierto a través de la plataforma europea EUDAT (https://eudat.eu/), para su consulta y para su utilización por parte de científicos o de cualquier persona interesada.

Tabla 1. Principales magnitudes de recogida de datos del proyecto LIFE+ RESPIRA

Nº de voluntarios del proyecto 140Nº de recorridos totales realizados 20.000Nº de recorridos con datos biomédicos 1.500Nº de Km recorridos (en bicicleta) 47.000Nº de Km recorridos (en vehículos a motor) 15.000Nº de horas en movimiento 16.000Nº de horas de recogida de datos 73.000Nº de puntos geolocalizados en recorridos 4.155.131Nº total de muestras 13.463.090Nº total de medidas 149.300.000

Esta gran cantidad de información ha permitido desarrollar una cartografía muy detallada de la contaminación atmosférica, basada en los más de 4 millones de puntos geolocalizados sobre el mapa con información disponible de los sensores de calidad del aire. Como puede apreciarse (Figura 7), se dispone de una cobertura que abarca la práctica totalidad de las calles de la ciudad y, además, con una densidad de puntos suficiente como para que puedan extraerse conclusiones robustas acerca de la calidad del aire según las diferentes condiciones horarias, estacionales, atmosféricas, etc.

Figura 7. Representación sobre el mapa de la nube de puntos procedente de las mediciones de los captadores

portátiles: vista general de la ciudad (izquierda) y detalle (derecha).

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Es decir, con la información recogida no solo se ha podido elaborar una cartografía sintética de la contaminación, que representa las condiciones medias de la ciudad para cada contaminante, sino también un conjunto de centenares de mapas complementarios surgidos de la combinación de diferentes factores. Por ejemplo, qué situación presenta el dióxido de nitrógeno, a las 10 de la mañana de un día laborable y con unas determinadas situaciones atmosféricas. Todo ello con el fin de poder establecer unas condiciones tipo que, a su vez, han sido empleadas para realizar la modelización de la contaminación urbana en Pamplona.

La cartografía desarrollada ha permitido observar las pautas de distribución de los contaminantes a escalas general y local. En conjunto, se observa un reparto ligado a los principales focos emisores de contaminación y, muy en particular, la enorme influencia que ejerce el tráfico rodado, tanto en la ronda de circunvalación de la ciudad, como en las principales arterias urbanas (Figura 8).

Figura 8. Concentración media de dióxido de nitrógeno (en µg/m3) para un período de 2 años.

Junto a esta conclusión, también cabe destacar la enorme variabilidad temporal que experimentan las concentraciones de contaminantes, nuevamente en relación a los cambios en las intensidades de tráfico que se registran a lo largo del día y entre los días laborables y festivos. Para mostrar estos cambios también se han desarrollado algunos montajes de mapas en forma de vídeo (http://www.youtube.com/watch?v=WY1R16Mws5Y&feature=em-upload_ owner), que permiten seguir muy bien la secuencia temporal (Figura 9).

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Figura 9. Fotogramas del vídeo que muestra la variación horaria de la concentración media de óxidos de nitrógeno (NO y NO2) en cuatro momentos concretos del día.

4. CONCLUSIONES

La realización del proyecto LIFE+ RESPIRA ha servido para constatar las grandes posibilidades que ofrece el uso de captadores portátiles de calidad del aire de bajo coste como herramienta para conocer la distribución de la contaminación a escala intraurbana. Esta tecnología permite, además, la cartografía de este fenómeno con un grado de resolución espacial impensable hasta ahora.

A pesar de las grandes ventajas que presenta, el desarrollo de estos sensores todavía tiene que superar importantes problemas en lo que a su funcionamiento y precisión se refiere. Al mismo tiempo es necesario aumentar el conocimiento científico sobre las posibilidades que ofrecen y los usos que se les puede dar.

Por otra parte, ha quedado también de manifiesto que combinar el usos de captadores de bajo coste con el apoyo de centenares de ciudadanos voluntarios ofrece grandes ventajas, tanto por la gran cantidad de información que recogen y a la que un equipo de científicos no podría nunca llegar, como por el efecto de concienciación y educación ambiental que supone para los participantes y para la población en su conjunto.

5. REFERENCIAS

Área Metropolitana de Barcelona (2017): Protocol d’actuació en cas d’episodi d’alta contaminació per NO2 i PM10 a l’Àrea Metropolitana de Barcelona. http://www.amb.cat/documents/10240/6166014/Protocol+episodis+contamina.pdf/f12efc37-3511-4b67-b2a9-9446422e9338. 12/03/2018. Aprobado por el Consell Metropolità en enero de 2017.

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Ayuntamiento de Madrid (2016): Protocolo de medidas a adoptar durante episodios de alta contaminación por dióxido de nitrógeno (texto consolidado). http://www.madrid.es/UnidadesDescentralizadas/Sostenibilidad/CalidadAire/Ficheros/ProtocoloSuperaNO2consol.pdf. 12/03/2018. Aprobado por la Junta de Gobierno de la ciudad de Madrid de 21 de enero de 2016.

Bonney, R., Cooper. C.B., Dickinson, J., Kelling, S.,Phillips, T., Rosenberg, K.V. y Shirk, J. (2009): Citizen science: A developing tool for expanding science knowledge and scientific literacy. Bioscience 59. 977-984.

Borrego, C., Costa, A.M., Ginja, J., Amorim, M., Coutinho, M., Karatzas, K., Sioumis, Th., Katsifarakis, N., Konstantinidis, K., De Vito, S., Esposito, E., Smith, P., André, N., Gérard, P., Francis, L.A., Castell, N.Schneider, P., Viana, M., Minguillón, M.C., Reimringer, W., Otjes, R.P., von Sicard, O., Pohle, R., Elen, B., Suriano, D., Pfister, V., Prato, M. Dipinto, S. y M. Penza (2016): Assessment of air quality microsensors versus reference methods: The EuNetAir joint exercise. Atmospheric Environment, Volume 147. 246-263.

EEA-European Environment Agency (2017a): Air quality in Europe - 2017 report. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 74 p.

EEA-European Environment Agency (2017b): European Air Quality Index http://airindex.eea.europa.eu/. 20/01/2018.

Kumar, P., Morawska, L., Martani, C., Biskos, G., Neophytou, M., Di Sabatino, S., Bell, M., Norford, L., & Britter, R. (2015): The rise of low-cost sensing for managing air pollution in cities. Environment International, 75. 199-205.

Mijling, B., Jiang, Q., de Jonge, D., and Bocconi, S. (2017): Field calibration of electrochemical NO2 sensors in a citizen science context. Atmos. Meas. Tech., 11. 1297-1312.

Pérez, K. y Gómez-Gutiérrez, A. (2017): La calidad del aire y la salud como nuevos factores en la definición de políticas de movilidad. Revista Papers, 59, Monográfico Nuevos retos en la movilidad cotidiana. Políticas públicas para un modelo más equitativo y sostenible. 26-32.

Santamaría, J.M.; Ariño,A.; León, B.; Llorente, E.; Martín, F.; Pons, J.J.; Martilli, A.; Santamaría, C.; Sánchez, C.; Oltra, C.; Elustondo, D.; Galicia, D.; Moya, E.; Baquero, E.; Lasheras, E.; Rivas, E.; Calvete, H.; García, H.; González, I.; Puig, J.; Santiago, J.L.; Barnó, M. Serrano, M.; Alonso, R.; Sala, R.; López, S.; Izquieta, S.; Elvira, S.; Bermejo, V. y Lechón, Y. (2017): Guide Book - Medidas para reducir la exposición de los ciclistas a los principales contaminantes atmosféricos urbanos . Pamplona: LIFE+ RESPIRA, 94 p.

WHO-World Health Organization (2016): Ambient air pollution: a global assessment of exposure and burden of disease. Geneva: World Health Organization, 121 p.

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