E. Puliafito y J. Quero 1 METODOLOGÍA DE MEDICIÓN

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Presentación realizada en las IV Jornadas Ambientales, Prodea , 15-16 octubre 2003
Universidad Nacional de San Juan
METODOLOGÍA DE MEDICIÓN DE CONTAMINANTES AÉREOS
S. ENRIQUE PULIAFITO, JOSÉ L. QUERO
Instituto para el Estudio del Medio Ambiente, Universidad de Mendoza
Perito Moreno 2397, 5501 Godoy Cruz, Mendoza
Resumen
Para establecer una metodología en la medición de contaminantes aéreos se presentan varios interrogantes a
responder, entre ellos ¿qué?, ¿cómo?, ¿por qué? . Que de acuerdo a los agentes que son considerados
contaminantes se pueden ir respondiendo uno a uno. El origen de los contaminantes está ligada a las fuentes de
emisión. Entre las fuentes más importantes podemos citar: 1)los transportes, 2) la producción de energía
eléctrica, 3) la incineración de residuos, 4) el consumo de combustibles industriales y hogareños y 5) los
procesos industriales. El ¿Qué? se refiere a los contaminantes aéreos que nos interesa medir, entre ellos
podemos citar: 1) el óxidos de nitrógeno, 2) el dióxido de azufre, 3) el ácido sulfhídrico, 4) el monóxido de
carbono, 5) los hidrocarburos, 6) los oxidantes fotoquímicos: como el ozono, 7) las partículas, 8) el plomo.
Con respecto al ¿Cómo?, existen diversas metodologías, normalmente aceptadas por la comunidad científica y
técnica, para medir contaminantes aéreos, contamos con un importante volumen de datos de contaminación
atmosférica de aproximadamente 15 años de monitoreo obtenidos por diversos métodos. Asimismo se recopila la
información meteorológica provista por el Servicio Meteorológico Nacional, SMN. El Instituto para el Estudio
del Medio Ambiente (IEMA), posee su propia estación de monitoreo automática en Benegas. Estas mediciones
se complementan también con otras de parámetros micro meteorológicos y radiación solar global.
El ¿Por qué? está relacionado con Aspectos de la contaminación referidos a la salud y el bienestar de los seres
vivos y aspectos particulares para cada contaminante y niveles recomendados por las Norma sugeridas por la
OMS y la Ley 5100 de nuestra Provincia.
En esta exposición se mostrará la metodología habitual utilizada por éste Instituto para caracterizar la
concentración ambiental de los contaminantes y valores típicos encontrados en diversos puntos de medición de la
ciudad.
Introducción
Los problemas de contaminación del aire difieren grandemente debido a que numerosos factores influyen sobre
ella: la topografía, la meteorología, la demografía, el nivel y tasa de industrialización, su desarrollo socio
económico, entre otros. En un ambiente contaminado las concentraciones en el aire de ciertas sustancias
alcanzan una concentración suficientemente alta tal que sus efectos sobre hombres, animales, vegetación o
materiales pueden ser medibles. Tales sustancias pueden ser partículas, gotas líquidas o gases presentes en la
atmósfera. En general se limita el concepto de contaminación a la presencia de sustancias que producen un efecto
mensurable nocivo. Es evidente que en los centros urbanos y las regiones más industrializadas los niveles de
concentración alcanzan valores varias veces superiores a los niveles de fondo o de aire limpio. Actualmente se
consideran niveles de referencia los ambientes marinos con vientos predominantes de zonas poco habitadas
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(islas, etc). El origen de la contaminación está ligada a las fuentes de emisión. Las fuentes más importantes son:
1) los transportes, 2) la producción de energía eléctrica, 3) la incineración de residuos, 4) el consumo de
combustibles industriales y hogareños y 5) los procesos industriales. Los contaminantes primarios aéreos más
comunes en las ciudades son el dióxido de azufre (SO2 ), los óxidos del nitrógeno (NO y NO2 ) , a ambos
conjuntamente se los denomina (NOx), el monóxido de carbono (CO), el ozono superficial (O3 ), partículas en
suspensión totales (PST) y plomo (Pb). Por otro lado existen contaminantes secundarios que provienen de
procesos químicos atmosféricos (reacciones fotoquímicas, óxido-reducción, catálisis, polimerización, etc.)
produciendo componentes como las sustancias PAN. La combustión es la principal fuente antrópica de
contaminantes aéreos; el uso de combustibles de origen fósil en fuentes estacionarias conduce a la producción de
SO2 , NOx y partículas (cenizas y hollín) y partículas secundarias, los gases como sulfatos (SO2 4- y nitratos (NO3 ) se convierten también a partículas. Los vehículos que usan naftas son las fuentes principales de NOx, CO y Pb,
mientras que los que usan diesel emiten cantidades importantes de SO2 y NOx.
La fuente principal de contaminación en Mendoza es sin lugar a dudas el transporte tanto público como privado.
En los últimos años, el parque automotor de la Provincia se ha incrementado y renovado sustancialmente. Como
consecuencia de la renovación del mismo (mejora en la tecnología) y del incremento en la calidad de los
combustibles, ha permito una disminución de la emisión promedio de contaminantes por vehículo (en particular
con referencia al plomo, en los vehículos nafteros). Pero, por otra parte, esta mejora sensible se ve contrarrestada
por el aumento de la cantidad de vehículos. Otras fuentes de contaminantes en Mendoza son las producidas por
fuentes fijas o industrias localizadas en su periferia. Tales como producción de energía, refinerías de petróleo
ubicadas al sur oeste de la ciudad. En la zona norte se encuentran dos cementeras, mientras que al este del área
de Gran Mendoza se pueden localizar varias agroindustrias. Dependiendo de la dirección e intensidad del viento,
éstas pueden tener un efecto mayor en sus alrededores. Cabe destacar que en los últimos años varias de estas
industrias han mejorado sensiblemente su tecnología anticontaminate. Por otra parte, suelen aparecer episodios
de fuertes heladas que afectan fundamentalmente las áreas agrícolas, durante los meses de invierno y primavera.
Estas heladas pueden producirse por procesos de irradiación o convectivo y advectivo (masas de aire frío).
Durante estos episodios, para prevenir las bajas temperaturas pueden ocurrir fenómenos de alta contaminación
del aire debido al quemado de aceites residuales, entre otros. Para prevenir esta situación, las autoridades locales
están promocionando el uso de gas como combustible alternativo.
Las mediciones de emisión de contaminantes aéreos y las de calidad de aire ambiental (concentración ambiental
o inmisión) son instrumentos básicos en el control de la calidad del aire. Por las primeras, se mide en el origen,
la contaminación emitida por la fuente, en las segundas se mide allí donde puede afectar a la salud de las
personas. Ambos tipos de medición son complementarios y muy útiles en la implementación y control de las
normas de calidad de aire. Es importante, entonces, no sólo determinar los niveles máximos admisibles, sino que
la reglamentación de leyes y normas debe incluir un “Manual o Instructivo para el Control del Aire”, que indique
los métodos e instrumentos de medición, sus procedimientos, calibración y análisis de datos.
Para verificar el cumplimiento de la norma, la autoridad de aplicación debe instrumentar un plan general de
mediciones de calidad de aire ambiental que debería tener, por ejemplo, los siguientes objetivos:
•
Monitoreo permanente de los principales contaminantes.
•
Registrar los episodios de contaminación severa.
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•
Relevar las tendencias temporales de las concentraciones de contaminantes en el aire.
•
Estudio del transporte de contaminantes aéreos.
•
Estudio de los efectos de la contaminación sobre la salud humana, plantas, animales y bienes en
general.
•
Estudio de las reacciones químicas de los contaminantes aéreos en la atmósfera.
•
Calibración y evaluación de los modelos de dispersión en la atmósfera.
La contaminación del aire tiene efectos importantes sobre la salud de la población que se pueden explicarse a
través de los siguientes aspectos: a) la respiración: se respira el aire disponible; b) Ventilación pulmonar: un
adulto promedio inhala unos 15 000 litros de aire por día en reposo y unos 50 000 litros cuando practican deporte
o trabajos pesados; c) Superficie pulmonar: La superficie interna del pulmón, que permite el intercambio entre el
aire de los alveolos y la sangre, es de aproximadamente 80 m2 ; d)Composición química de los contaminantes: los
efectos de los contaminantes dependen la composición química de los mismos; e) Concentración de los
contaminantes: la acción de los contaminantes en el aire inspirado dependen de la concentración de los mismos.
f) Hábitos y ambiente de trabajo: Otro problema surge de los hábitos (fumadores) y ambientes de trabajo de los
afectados. Las relaciones existentes entre las enfermedades humanas y la exposición a la contaminación no son
sencillas ni se conocen con exactitud. La muerte y la enfermedad representan sólo el extremo límite de toda una
gama de repuestas. Además, algunos factores del medio pueden afectar especialmente a ciertos grupos de
población, en particular a los más jóvenes, a los ancianos, a los que padecen enfermedades y a los expuestos a
otros productos tóxicos o al “stress”. La Tabla 1, presenta los normas de calidad del aire sugerida por la
Organización Mundial de la Salud y la Ley 5100 de la Provincia de Mendoza.
Monitoreo de la calidad del aire
La ciudad de Mendoza (33°S, 68°W, 750 m. s.n.m) se sitúa en la parte occidental de la Argentina al este de la
Cordillera de Los Andes cuya altura promedio es de 5000 m con picos cercanos a los 7000 m. Esta barrera
natural tiene una fuerte influencia en las condiciones meteorológica determinando una fuerte dependencia en los
niveles de contaminación aérea.
En la zona urbana de Mendoza, el Ministerio de Ambiente y Obras Públicas del Gobierno Provincial, a través de
su Dirección de Saneamiento y Control Ambiental (DSCA) mide desde 1970 (para algunas estaciones) y desde
1990 para unas 15 estaciones valores medios diarios de material particulado total (MPT) por el método de
captura por filtro y reflectometría; óxidos de nitrógenos NOx usando el método de la colorimetría de Griess y
Salztmann; una vez por semana valores de 24 horas de plomo por el método de colorimetría por ditozona; y
dióxido de azufre SO2 por el método de colorimetría de West y Gacke modificado por Pate. Por otra parte
nuestro Instituto para el Estudio del Medio Ambiente (IEMA) mide desde 1995, en cooperación con el Centro
Ambiental de Leipzig (UFZ), Alemania, negro de humo y PAH poliarómatico, con Aethalómetro GIV mediante
reflectometría; ozono superficial (O3 ), óxido de nitrógenos (NOx), monóxido de carbono (CO), usando
instrumentos de Horiba
(serie APO350E para O3 y APN360 para NOx y CO) además de parámetros
meteorológicos y radiación solar global. Un objetivo importante de esta cooperación ha sido realizar estudios
epidemiológicos para analizar los efectos del la contaminación aérea en Mendoza. Las figuras 1 y 2 muestran un
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ejemplo del monitoreo de material particulado y nitrógenos realizado por la DSCA en la zona céntrica de
Mendoza. En la figuras 3 y 4 se muestran el monitoreo de dos gases realizado en el IEMA.
Tabla 1: Normas sugeridas por la Organización Mundial de la Salud (OMS) y Normas Provinciales (Ley 5100)
Alerta Prov. Mendoza
OMS
Componente
Concentración
Período
Concentración
Período
Partículas
24 hs
24 horas
200µg/m3
120 µg/m3
30 días
1 año
100 µg/m3
75 µg/m3
3
3
Oxidos del nitrógeno
24 hs
24 horas
200 µg/m
150 µg/m (80 ppb)
NOx
1 año
1 hora
100 µg/m3
400 µg/m3 (210 ppb)
3
3
Plomo
30
días
1 año
10 µg/m
0.5 a 1 µg/m
3
Dióxido de azufre
10 minutos
500 µg/m (190 ppb)
SO2
8 horas
1 hora
80 µg/m3
350 µg/m3 (130 ppb)
1 hora
24 horas
260 µg/m3
125 µg/m3 (50 ppb)
1 año
50 µg/m3 (20 ppb)
3
3
Ozono Superf. O3
1 hora
1 hora
125 µg/m (63 ppb)
150 - 200 µg/m (80 - 100 ppb)
(Oxidantes fotoq.)
8 horas
100 - 120 µg/m3 (50 -60 ppb)
Monóxido de carbono
100 mg/m3 (90 ppm)
15 minutos
CO
60 mg/m3 (50 ppm)
30 minutos
40 mg/m3 (36 ppm)
1 hora
30 mg/m3 (25 ppm)
1 hora
10 mg/m3 (9 ppm)
8 horas
10 mg/m3 (9 ppm)
8 horas
Contaminación atmosférica por fuentes fijas
A fin de caracterizar la calidad del aire en el entorno de una establecimiento fabril, y calificar el impacto sobre la
calidad del aire producido por la Planta a su medio ambiente circundante, se realizan las siguientes
determinaciones:
A) Mediciones en el entorno con un conjunto de equipos de monitoreo y muestra en papel de filtro:
•
Monitoreo continuo de NO, NO2 , CO, O3 , hollín y PAH
•
Monitoreo continuo de parámetros meteorológicos, Dirección e intensidad de vientos, T, P, RH
•
Mediciones puntuales de partículas (composición y tamaño) en diversos puntos del área bajo estudio y
zonas aledañas, como valores medios de 24 horas para partículas, con un muestreador de gran volumen.
B) Modelos estadísticos y matemáticos.
Se realizan estudios estadísticos y de modelación para dar una explicación a las mediciones, desarrollando
los resultados en mapas temáticos georeferenciados. Se aplica un modelo de dispersión de tipo Gaussiano,
(según ISCT3 EPA). Este modelo incluye la aplicación de fuentes múltiples asociado a condiciones
meteorológicas y del terreno. Los resultados se volcaron sobre un sistema de información geográfico
(GIS).
C) Mediciones en chimeneas de niveles de emisión.
En base a estos elementos, (monitoreo, modelos, normas, efectos sobre la salud de los contaminantes), se
presenta el diagnóstico ambiental de la calidad del aire en el entorno de la Planta en cuestión.
Para estimar las emisiones de chimeneas en el Gran Mendoza, se hizo necesario en primer lugar confeccionar un
inventario de las principales fuentes existentes, que se organizó en dos formularios y fue distribuido a las
principales empresas. Para el cálculo de las emisiones se usaron los datos suministrados por las propias empresas
como así también mediciones en chimeneas disponibles de estudios de evaluación de impacto ambiental (EIA).
Para determinar su influencia en la calidad del aire en las inmediaciones de un fuente fija, se calculó la
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dispersión de la emisión de la chimenea usando un modelo de pluma gaussiana, a través del programa de
dispersión de la EPA (Agencia Ambiental de Estados Unidos) ISCT3. Debe notarse la validez y limitación de los
modelos de pluma gaussiana y de los datos meteorológicos.
•
Los modelos gaussianos suponen linealidad entre la fuente de emisión y la inmisión en el receptor para los
valores medios de al menos de 1 hora. El modelo supone que no hay combinación química de los gases
dispersados. El rango de validez de los modelos es inferior a 25 km de distancia viento abajo de las fuentes.
•
Para calcular los valores horarios meteorológicos se imponen las siguientes limitaciones para el modelo: 1)
la dirección del viento se recibe en 16 sectores discretos de 22.5º, usándose la dirección más frecuente
(moda). 2) El valor de intensidad es el valor medio horario en la dirección seleccionada. 3) La micro
dinámica de vientos locales, influenciada por los edificios cercanos, árboles, etc., en el entorno del receptor,
no se incluye en el modelo.
Con estas condiciones y limitaciones los cálculos así realizados representan adecuadamente los valores medios
anuales, mensuales y diarios de la situación real, y sus máximos horarios.
Sobre una cartografía digital del Gran Mendoza se ubicaron las fuentes de emisión usando un receptor GPS. El
Gran Mendoza fue dividido por una grilla de celdas o receptores de 350m x 350m, sobre la cual se vuelca toda la
información básica. Las concentraciones de inmisión (niveles respirables de contaminantes) para cada receptor
se hicieron coincidentes con el centro de estas celdas.
Como datos de entrada meteorológicos se usaron 2000 datos del Aeropuerto El Plumerillo, Servicio
Meteorológico Nacional (1 año a 6 horas diarias), para la zona norte del Gran Mendoza y un año de datos
meteorológicos tomados en el IEMA para simular las condiciones para la zona sur. Se desarrolló un programa de
cálculo de la capa planetaria límite a partir de las mediciones meteorológicas de superficie y de radiación solar .
Para calibrar los modelos se usaron mediciones de inmisión en diversos puntos usando los datos provenientes de
las estaciones de monitoreo de la Dirección de Saneamiento y Control Ambiental DSCA (Gobierno de Mendoza)
y mediciones automáticas de NOx, CO, O3 y partículas propias del Instituto IEMA en diversas localidades. Las
figuras 5 y 6 representan ejemplos de mapas de contaminantes producidos por los modelos calibrados.
Contaminación atmosférica por fuentes móviles
El diagnóstico ambiental sobre la calidad del aire en Mendoza, y los estudios subsiguientes, muestran claramente
que las emisiones vehiculares representan la fuente más importante del deterioro de su calidad de aire. Este
diagnóstico es, lamentablemente, común a numerosas ciudades del mundo y particularmente de América Latina.
Para responder a la pregunta sobre la influencia que tendría un nuevo proyecto de transporte público eléctrico
multi-modal para la ciudad de Mendoza, se elaboró una evaluación ambiental que incluye todos los aspectos
relevantes para determinar la calidad del aire, y su potencial deterioro por efecto de las fuentes móviles. Para ello
se ha desarrollado una herramienta de análisis espacial usando un sistema de información geográfica,
determinando no sólo cómo y cuánto contribuyen las emisiones de los vehículos a los niveles respirables de
contaminación del aire para la situación actual, sino que se ha hecho una proyección a futuro, estableciendo
además su distribución geográfica. En síntesis, se realizaron los siguientes pasos: 1) Análisis de la situación
actual (base cero sin proyecto), 2) Proyección de la situación al año 2010 (sin proyecto) con un escenario similar
al actual pero con un crecimiento poblacional y del parque automotor, 3)Proyección de la situación al año 2010
con proyecto para dos escenarios distintos. Tres han sido las áreas de trabajo principales: a) Modelar las fuentes
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móviles en Mendoza. Sobre un mapa digital de las calles del Gran Mendoza, se efectuó una categorización de las
calles y medición de intensidad de tráfico en diversos puntos. b) Relevar y realizar mediciones de meteorología y
de contaminación propia para su uso en los cálculos, modelos y como calibración de los resultados. c) Preparar
los mapas conteniendo la información más relevante.
Los pasos para el cálculo fueron los siguientes:
I. Instalación y preparación de una cartografía base digital que contiene el manzanero del Gran Mendoza,
con ejes de calle y datos identificativos tales como: nombres de calle, departamento, número, etc.
II. Construcción de las bases de datos necesarias para la caracterización del tránsito vehicular.
III. Evaluación de la importancia de cada arteria, diferenciando las mismas según categorías asociables a
función – importancia, tipo e intensidad de tránsito de cada una de ellas.
IV.
Incorporación de los flujos de tránsito en las principales arterias del Gran Mendoza. Relevamiento y
sistematización de mediciones de tránsito vehicular en distintos puntos del Gran Mendoza. Compilación
de aproximadamente 50 puntos de medición con datos de variación horaria, composición del flujo
vehicular característico, velocidades medias estimadas, etc.
V. Medición y cálculo de velocidades en tramos de arterias representativas del Gran Mendoza o área de
estudio.
VI. Generación de interfaces de carga y cálculo de datos en el ambiente GIS.
Con el objetivo de elaborar un catastro de emisiones por fuentes móviles, y para estimar los niveles de inmisión
derivadas de estas fuentes, se procedió a calcular los vehículos instantáneos en cada unidad de análisis. La carga
por segmento en (g/min) es el producto de N (la cantidad de vehículos por segmento), Ef (el factor de emisión
por tipo de combustible y contaminante) y l (la longitud del segmento). El factor de emisión para cada segmento
dependerá el la velocidad (por jerarquía), de la densidad de vehículos, del tipo de vehículo (diesel o naftero), y
del tipo de contaminante (sea hidrocarburos, monóxido de carbono, óxidos de nitrógenos y partículas).
El modelo se aplica a tres condiciones diversas. Primero para realizar un diagnóstico de la situación actual;
segundo como pronóstico de la situación futura de acuerdo a un escenario de desarrollo de la ciudad bajo
condiciones de crecimiento estable de la población, aumento del tráfico vehicular manteniendo el actual sistema
de transporte público; y tercero comparar el segundo caso cuando se cambia el sistema de transporte público.
Como proyección para el año 2010 se desarrollaron varios indicadores que permitieran describir distintos
escenarios posibles. Dado que el objetivo principal era la de comparar el impacto de reemplazar el sistema de
transporte público, se estudió especialmente el incremento en la movilidad, el aumento del parque automotor, el
crecimiento poblacional y las preferencias en el tipo de transporte utilizado. Para ello se analizó la siguiente
información: a) registro oficial del automotor, que contiene información de la cantidad de vehículos, antigüedad,
peso, combustible, etc; b) legislación, normas y reglamentos sobre las emisiones permitidas de combustibles en
vehículos; d) datos de los productores de vehículos; e) encuesta de origen y destino de los viajes diarios.
Los principales resultados del modelo son: a) emisiones medias diarias de PST: partículas suspendidas totales,
NOx: óxidos de nitrógeno, HC: Hidrocarburos y CO: Monóxido de carbono; b) emisiones totales, discriminadas
de acuerdo a tipo de vehículo y combustible; c) inmisiones esperadas para la situación actual (1999), para el año
2010 de acuerdo a diversos escenarios y para el 2010 incorporando un sistema de transporte eléctrico.
Las figuras 7 y 8 muestra un estudio comparativo la variación de contaminantes por fuentes móviles para dos
situaciones futuras distintas, dependiendo del sistema de transporte público utilizado.
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Conclusiones
Se ha presentado la metodología utilizada para la determinación de la calidad del aire en la ciudad de
Mendoza. En ella se combina monitoreo diario de contaminantes por métodos manuales dependiente del
Ministerio de Ambiente, con monitoreo continuo realizado por le Instituto IEMA de la Universidad de Mendoza
con modelado de fuentes fijas y móviles. Para ello se ha usado un sistema de información geográfica SIG para el
análisis espacial de la contaminación aérea en Mendoza. Este sistema permite incorporar y evaluar información
espacial y temática, orientándolo para su utilización como herramienta de diagnóstico y pronóstico. El sistema
generado permite evaluar en qué proporción, tanto temporal como espacial, las fuentes fijas y móviles afectan la
calidad del aire en el ambiente urbano del Gran Mendoza. Este modelo no sólo brinda información actual sino
que puede usarse para prever situaciones futuras o para el estudio de casos particulares.
Bibliografía
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Mendoza”, Editorial Edium, octubre de 1999, solicitado por la empresa Tecnicagua S.A.
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3. Puliafito, Enrique, Miguel Gantuz, José Quero, Carlos Puliafito, Roberto Inzirillo: “Impacto de la
Industria de Vidrio Rayén Curá sobre la calidad del aire”, solicitado por la Empresa Rayén Curá S..A.
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4.
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5.
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Journal of Public Health, N. 2, pp-72-76, 1999
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Publications, (en prensa 2002).
E. Puliafito y J. Quero
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Medias mensuales Material particulado en zona céntrica de Mendoza
600
500
PST (ug/m3)
400
300
200
100
0
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
Fecha
Figura 1
Medias mensuales NOx en zona céntrica de Mendoza
0.08
0.07
NOx (ppm)
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
Fecha
Figura 2
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Valores medios anuales de CO (ppm) para 1999 con respecto a
la hora del día medida en Benegas
23:00
22:00
0:00
1.75
1:00
2:00
1.5
21:00
3:00
1.25
1
20:00
4:00
0.75
0.5
19:00
5:00
0.25
18:00
0
6:00
17:00
7:00
16:00
8:00
15:00
9:00
14:00
10:00
13:00
11:00
12:00
Figura 3
Valores medios anuales de O3 (ppb) para 1999 con respecto a
la hora del día medida en Benegas
0:00
23:00
25
1:00
22:00
2:00
20
21:00
3:00
15
20:00
4:00
10
19:00
5:00
5
18:00
0
6:00
17:00
7:00
16:00
8:00
15:00
9:00
14:00
10:00
13:00
11:00
12:00
Figura 4
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Figuras 5 y 6: Contaminación por Fuentes fijas para el Gran Mendoza
Figuras 7 y 8: Contaminación por Fuentes Móviles para el Gran Mendoza, sin proyecto nuevo de transporte
(NP), y con proyecto (WP).
E. Puliafito y J. Quero
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