Distribución espacial

La primera etapa consistió en generar una retícula que cubre la República Mexicana, cuyo centro se ubica en las coordenadas 24.06º N, 102.03º O, y posee 353 (E-O) y 226 (S-N) celdas cuadradas, cada una de aproximadamente 9 km por lado. La distribución espacial se realizó con una combinación de herramientas que incluyeron Microsoft Excel® y ArcGis® v.10.2. La información está referida a la proyección cartográfica cónica conforme de Lambert (CCL) y el Datum International Terrestrial Reference Frame 92 (ITRF92) época 1988.0 y a una escala 1:250 000. Para ubicar las emisiones en el área de estudio se utilizaron los datos vectoriales de uso de suelo, población, vialidades y carreteras, los cuales están en archivos de formato shape.

Las emisiones de área provenientes de fuentes antrópicas se distribuyeron proporcionalmente conforme a la población. Las emisiones relacionadas con las actividades agropecuarias emplearon el tipo de uso de suelo agrícola y las emisiones por incendios forestales se distribuyeron utilizando las categorías de bosque, selva, pastizal y matorral (vegetación). Para cada celda del inventario se utilizó la fracción de uso de suelo en la celda con referencia a la superficie de ese uso de suelo en el municipio, como se muestra en el cuadro I. Se utilizan los códigos de clasificación de fuente (SCC) que utiliza la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) para clasificar los diferentes tipos de actividades que generan emisiones (^{EPA 2018}).

En el caso de las emisiones de fuentes móviles, se emplearon las carreteras y vialidades urbanas. Las categorías de fuentes vehiculares se presentan en el cuadro II. Para cada municipio y celda se obtuvo la fracción de carreteras y vialidades que las atraviesan, y se calculó el área de la vialidad correspondiente con el número de carriles. Las emisiones municipales se repartieron en cada celda a partir de la fracción obtenida del área de vialidad en la celda, entre el área de vialidad en el municipio.

Los datos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) empleados para realizar la distribución espacial fueron los siguientes:

En la figura 2 se presenta, a manera de ejemplo para el centro de México, la información de uso de suelo, vialidades, AGEB urbanas empleadas para realizar la distribución espacial de las fuentes de área y móviles, y las ubicaciones de las fuentes fijas.

Fig. 2 Ejemplo de área de cobertura de la malla del inventario (superior izquierda) y las capas empleadas para la distribución espacial de las emisiones: uso de suelo (superior derecha), vialidades (centro derecha), áreas geostadísticas básicas (AGEBS) de población urbana (inferior derecha, en gris) y ubicaciones de fuentes puntuales (inferior centro) 

En el caso de las fuentes fijas, se utilizó la ubicación de las 24 133 chimeneas que incluyen los sectores de generación de energía, químico, alimentario, de papel y de extracción de petróleo y gas, como los más importantes (SINEA 2015). En las emisiones de fuentes fijas es importante considerar la altura de chimenea (^{Guevara et al. 2014}); para calcularla se empleó información de las características (diámetro y altura) y de las condiciones de los gases de salida (temperatura, velocidad), así como las ecuaciones propuestas por ^{Briggs (1984)} para condiciones neutras como primera aproximación. Dependiendo de esta altura efectiva, las emisiones se ubican en la capa vertical correspondiente.

Distribución temporal

Para cada una de las categorías de emisión se identificó el SCC y a partir de éste se pudo determinar el perfil temporal (mensual, diario y horario). Estos perfiles provienen de información generada por la ^{EPA (2011a)}. El perfil temporal considera variaciones dependiendo del mes, día de la semana y hora del día. Para ello se emplean 18 833 SCC, los cuales se relacionan con 980 perfiles temporales mensuales, 44 semanales y 188 horarios. La distribución temporal considera las tres zonas horarias (Centro, Pacífico y Noroeste) de la República Mexicana, vigentes en 2008.

Especiación

La categoría de COV considera la emisión de un conjunto de diferentes especies químicas, cuya proporción depende de la fuente y su proceso (e.g., combustión, recubrimientos, uso de solventes, etc.). Para la especiación se empleó el SCC de cada categoría de emisión (^{EPA 2011b}). Esta información es sólo para partículas PM_2.5 y COV de fase gas. En el caso de estos últimos, se tienen considerados 10 487 códigos SCC, los cuales se relacionan con 393 perfiles de especiación. Esto se debe a que se pueden obtener diferentes números SCC que identifican a la combustión diésel en fuentes residenciales, agrícolas, comerciales y puntuales. A todos ellos les corresponde el mismo perfil de especies químicas.

Agrupamiento en especies químicas para el mecanismo fotoquímico

Las especies químicas individuales obtenidas en el paso anterior no se emplean directamente en el cálculo de la fotoquímica, debido a que los mecanismos no consideran especies individuales porque se requiere de un uso masivo de recursos de cómputo, de manera que estas substancias se agrupan dependiendo del mecanismo químico.

En esta etapa se empleó la información elaborada por ^{Carter (2015)} para agrupar los compuestos químicos en categorías de los mecanismos químicos RADM2 (^{Stockwell et al. 1990}), RACM (^{Goliff et al. 2013}) y SAPRC99 (^{Carter 2000}).

Para cada categoría del mecanismo químico se suman las emisiones de las especies químicas que incluye dicha categoría, mediante un factor de agregación (fa) (^{Middleton et al. 1990}). Adicionalmente, en este paso, se convierten las emisiones de masa a mol por medio del peso molecular de la categoría.

Herramientas de conversión

Las herramientas de conversión son un conjunto de programas escritos en Fortran y otros programas auxiliares escritos en comandos de C-shell (csh), con el objeto de automatizar el proceso de conversión del inventario. Estas herramientas se distribuyen en diez etapas que se describen en el cuadro III.

Se desarrolló un programa auxiliar en csh para la generación del inventario para fechas específicas de 2008, en el cual se indica mes, día inicial y final del periodo para obtener el inventario.

El inventario de emisiones se guarda en un archivo digital con formato NetCDF (^{Rew y Davis 1990}). El modelo WRF-chem (^{Grell et al. 2005}) requiere la estructura del archivo y los nombres de las variables para emisiones antrópicas.

Los archivos de salida contienen 38 categorías para el mecanismo RADM2, 37 para RACM y 55 para SAPRC99, y tienen hasta cinco capas en la vertical (17.5, 35, 56, 70 y 142 m). Los archivos son generados por día (un archivo contiene 24 h).

De cada categoría de emisión del INEM 2008 se obtuvieron las especies químicas que luego se reagruparon en las categorías de los mecanismos químicos. En la figura 3 se presenta la distribución de los compuestos orgánicos en las principales categorías de cada mecanismo químico utilizado (RADM2, RACM2 y SAPRC99).

Fig. 3 Especiación del inventario nacional de emisiones para compuestos orgánicos volátiles (COV) por tipo de emisión y para cada uno de los mecanismos fotoquímicos: Regional Acid Deposition Model (RADM), Regional Atmospheric Chemistry Mechanism (RACM) y Statewide Air Pollution Research Center Mechanism (SAPRC99). koh: constante de reactividad con radical OH; ACT: acetona; ALD: aldehídos; ALK3: alcanos y no aromáticos con kOH de 0.5 a 2.5; ALK4: alcanos y no aromáticos con kOH de 2.5 a 5; ALK5: alcanos y no aromáticos con kOH de 0.5 a 2.5; ARO1: aromáticos con kOH < 2; ARO2, aromáticos con kOH > 2; CH4: metano; CSL: cresol; ETH: etano; ETHE: etileno; HC3: propano; HC5: alcanos (kOH de 0.5 a 1.0); HC8: alcanos HC3, HC5, HC8 (kOH de 1 a 2); HCOH: formaldehído; HKET: hidroxicetona; NROG: no reactivos; OLE2: alquenos (kOH > 7); OLI: alquenos internos; OLT: alquenos terminales; PHE: fenol; TOL: tolueno; XYL: xilenos 

Se observa que los compuestos aromáticos, como el xileno (XYL y ARO2), constituyen la categoría principal en las fuentes de área. En el caso de fuentes móviles la categoría principal está formada por los alcanos (HC3, HC5, HC8, ALK4 y ALK3), en las fuentes fijas por el metano (CH₄), y en el caso de RADM2 y SAPRC99 y para el mecanismo RACM, por los alcanos. Otros compuestos como la hidroxi acetona (HKET), acetona (ACT), tolueno (TOL), aldehídos (ALD), alquenos terminales (OLT), alquenos intermedios (OLI) y formaldehído (HCHO) integran categorías con emisiones considerables.

En el caso de partículas menores a 2.5 µm, los resultados de la aplicación del modelo de emisiones al INEM 2008 se agruparon en cinco categorías (POA, aerosoles primarios orgánicos; PEC, partículas de carbono elemental; GSO4, sulfatos; PNO3, nitratos, y OTHER, otros) que se muestran en la figura 4. En las fuentes de área sólo se tiene 22 categorías que emiten partículas y todas ellas corresponden al tipo OTHER (en las que se incluye el material geológico). En las fuentes móviles, la categoría principal son las PEC, seguidas por los POA. En las fuentes fijas, los OTHER corresponden a más de la mitad de las emisiones, seguidos por las categorías POA, PEC y GSO4. Estas últimos son las que se encuentran en menor proporción.

Fig. 4 Especiación del inventario de emisiones de PM_2.5 por tipo de emisión. (PNO3: nitratos; POA: aerosol orgánico; PEC: partículas de carbono elemental; GSO₄: sulfatos) 

Para validar el modelo se comparó la masa de cada compuesto del inventario original con la masa obtenida de ese mismo compuesto después de cada paso de la conversión. Así, la masa total después de la distribución espacial (Ma) debe ser igual a la masa del inventario original (Mo), y la masa obtenida después de la distribución temporal (Mt) debe ser igual a la Mo modificada por el ajuste. Hay que tomar en cuenta que la emisión después de la especiación temporal pasa de Mg/año a g/hora, por lo que se suman las emisiones horarias para obtener la emisión diaria; posteriormente, se multiplica por el número de días al año para obtener la emisión anual (Mt) y ésta se compara con la emisión anual original (Mo); finalmente, después de la conversión a especies químicas y agrupamiento en categorías de emisión, la masa obtenida de las categorías (Ms) debería ser igual a la masa original del inventario Mo (Fig. 1).

Validación

La validación del método presentado se realizó mediante la comparación de resultados en cada uno de los pasos para la conversión del inventario original. En el cuadro IV se presenta la comparación entre el inventario original y la etapa de distribución espacial y distribución temporal. Para la distribución temporal hay actividades que varían con la estación, por lo que el resultado obtenido al multiplicar la emisión de un día para obtener la anual puede presentar diferencias importantes. Con el objeto de validar el procedimiento utilizado para la distribución temporal, se emplearon perfiles que dieran una distribución homogénea durante el año para cada uno de los SCC; así, la emisión anual se distribuyó en 1/12 para cada mes, 1/7 para cada día de la semana y 1/24 para cada hora del día. Los resultados del empleo de esta distribución se incluyen en el cuadro IV.

Se aprecia que en la etapa de distribución espacial la diferencia entre resultados es de hasta -2.5 % en las emisiones de NH₃ por fuentes de área. Esto se debe a que hay emisiones de NH₃ generadas por actividades ganaderas y de aplicación de fertilizantes que no se encuentran en zonas agrícolas, por lo que no se asignan.

Tampoco se aprecia una diferencia significativa en las fuentes móviles ni en la etapa de distribución temporal en relación con la masa de emisión obtenida de la distribución espacial. En el caso de fuentes puntuales, la diferencia entre los resultados de la distribución temporal y las emisiones originales es de hasta el 1.2 %.

En el tema de la distribución de los COV en especies químicas y su agrupación en categorías del mecanismo químico, se tiene la emisión antes y después de este proceso, como se muestra en el cuadro V. Se puede apreciar que existe una reducción entre la masa original y la masa que se obtiene después del proceso de especiación-agrupación.

La diferencia entre el valor inicial y el obtenido después de procesar en especies se debe, principalmente, a que un gramo de un compuesto químico puede contribuir con una fracción a varias categorías del mecanismo, dependiendo de su reactividad (^{Middleton et al. 1990}), y una de esas categorías es la de compuestos orgánicos no reactivos. Éstos llegan a constituir hasta el 92 % de la masa de una especie química, por lo que el total de la masa de las categorías no llega a sumar el total inicial, puesto que no todos los compuestos participan en la química atmosférica.

En el caso de la especiación de PM_2.5 no se observa una diferencia apreciable entre la emisión original y la distribución en especies de partículas (cuadro VI).

Los valores obtenidos de diferencias entre el inventario original y el modelo de emisiones aquí expuesto, demuestran la idoneidad de este último para estimar la distribución espacial, temporal y de especiación.