Un cielo brumoso puede tener muchas explicaciones. Las partículas finas pueden haberse acumulado durante un periodo de escasa circulación del aire. El humo de los incendios forestales puede haber recorrido cientos o incluso miles de kilómetros. El polvo levantado en el Sáhara puede atravesar el Mediterráneo y alcanzar grandes zonas de Europa. En días cálidos y soleados, las concentraciones de ozono cerca de la superficie pueden aumentar, aunque el ozono no se emita directamente allí.
Todas estas situaciones tienen algo en común: las sustancias presentes en el aire están estrechamente relacionadas con el estado de la atmósfera.
Una vez que los contaminantes entran en la atmósfera, su comportamiento depende en gran medida de las condiciones meteorológicas. Pueden ser transportados lejos de su fuente, quedar atrapados cerca del suelo o dispersarse por áreas más extensas. La lluvia puede eliminar algunas partículas del aire, mientras que la luz solar y la temperatura pueden desencadenar reacciones químicas que generan nuevos contaminantes a partir de sustancias ya presentes en la atmósfera.
Por tanto, pronosticar la calidad del aire implica mucho más que predecir el tiempo. Los modelos también deben describir qué sustancias están presentes en la atmósfera, de dónde proceden, cómo reaccionan químicamente y hacia dónde las transportará la circulación atmosférica.
Del pronóstico del tiempo a la composición de la atmósfera
Los modelos numéricos de predicción meteorológica simulan cómo evoluciona la atmósfera. Los modelos de calidad del aire van un paso más allá y representan también los gases, los aerosoles y los procesos que los afectan.
Las previsiones de calidad del aire visualizadas por meteoblue se basan en datos del Servicio de Vigilancia Atmosférica de Copernicus (CAMS), que combina observaciones atmosféricas y modelización para predecir contaminantes, aerosoles y otros componentes de la atmósfera. También se utiliza la modelización por conjuntos (ensemble) para tener en cuenta las diferencias entre las distintas previsiones y proporcionar una indicación de la incertidumbre.
Los modelos de calidad del aire tienen en cuenta las emisiones, el transporte, las reacciones químicas, la dispersión y los procesos que eliminan los contaminantes de la atmósfera. En pocas palabras, deben responder a dos preguntas: ¿Qué hay en la atmósfera y qué ocurrirá con ello a continuación?
¿De dónde procede la contaminación del aire?
Algunos contaminantes entran directamente en la atmósfera. El tráfico, los procesos industriales, la producción de energía y la calefacción de edificios liberan gases y partículas. Los incendios forestales introducen humo y grandes cantidades de material particulado en la atmósfera. El viento puede levantar polvo mineral de superficies secas y, en algunos casos, transportarlo a través de continentes enteros.
Los procesos naturales también contribuyen. La vegetación libera compuestos orgánicos, los volcanes emiten gases y partículas, el aerosol marino genera partículas en suspensión y las plantas liberan enormes cantidades de polen durante sus periodos de floración.
Otros contaminantes tienen un origen más complejo, ya que se forman en la atmósfera después de la emisión.
El ozono a nivel del suelo es un buen ejemplo. A diferencia de los contaminantes emitidos directamente por un tubo de escape o una chimenea, el ozono cerca de la superficie se produce mediante reacciones fotoquímicas en las que intervienen sustancias precursoras como los óxidos de nitrógeno y los compuestos orgánicos volátiles. Esta es una de las razones por las que las concentraciones elevadas de ozono suelen estar asociadas a condiciones cálidas y soleadas. El mapa de ozono de meteoblue muestra las concentraciones cerca de la superficie. Este ozono troposférico no debe confundirse con la capa de ozono estratosférica, que protege la Tierra de la radiación ultravioleta nociva.
El material particulado también puede tener diversos orígenes. PM10 y PM2.5 describen clases de partículas según su tamaño y no sustancias químicas específicas. Pueden incluir humo, hollín, polvo mineral, sales y otros materiales. Además, pueden formarse otras partículas mediante reacciones químicas en la atmósfera.
Esta combinación de emisiones directas, fuentes naturales y química atmosférica es una de las razones por las que pronosticar la calidad del aire constituye una tarea de modelización tan compleja.
El tiempo determina lo que sucede después
Saber cuánta contaminación se ha emitido no es suficiente. Las mismas emisiones pueden producir condiciones de calidad del aire muy diferentes dependiendo del tiempo.
Consideremos, por ejemplo, dos días similares en una gran ciudad.
El primer día, los vientos son débiles y la atmósfera cerca de la superficie es estable. La mezcla vertical es limitada, lo que permite que los contaminantes se acumulen cerca del suelo. Si estas condiciones persisten, las concentraciones pueden seguir aumentando incluso sin un incremento significativo de las emisiones.
Otro día, vientos más fuertes y una capa de mezcla más profunda pueden dispersar la misma cantidad de contaminantes en un volumen de aire mucho mayor. El paso de un frente puede traer después precipitaciones, que pueden eliminar de la atmósfera algunas partículas y sustancias solubles.
La dirección del viento es igualmente importante. Una mala calidad del aire observada en un lugar determinado no significa necesariamente que los contaminantes se hayan originado allí. El humo, el polvo y otros contaminantes pueden atravesar fronteras nacionales y recorrer distancias muy grandes.
El polvo del desierto constituye uno de los ejemplos más claros. Las partículas minerales levantadas sobre el Sáhara pueden desplazarse hacia el norte a través del Mediterráneo cuando la circulación atmosférica es favorable. En concentraciones suficientemente elevadas, el polvo del desierto puede incluso hacerse visible como un velo en el cielo.
El humo de los incendios forestales se comporta de manera similar. Dependiendo de la velocidad y dirección del viento y de la altura a la que el humo entra en la atmósfera, un incendio puede afectar a la calidad del aire muy lejos de la zona del incendio.
Por eso, un mapa de calidad del aire resulta especialmente informativo cuando se analiza junto con mapas meteorológicos. Una pluma con concentraciones elevadas de material particulado muestra dónde son altos los niveles; los campos de viento y la situación sinóptica a gran escala pueden ayudar a explicar de dónde procede esa masa de aire y hacia dónde podría desplazarse después.
El punto de partida de un pronóstico: ¿qué hay ahora en la atmósfera?
Para predecir la calidad del aire de mañana, un modelo necesita primero una estimación precisa de las condiciones atmosféricas actuales. Esto se consigue mediante la denominada asimilación de datos.
Al igual que en la predicción numérica del tiempo, las observaciones se combinan con información de los modelos para construir una representación del estado actual de la atmósfera. Estas observaciones pueden proceder tanto de estaciones de monitorización en superficie como de satélites y proporcionar información sobre gases y aerosoles a diferentes escalas espaciales.
Las estaciones de monitorización proporcionan mediciones directas en lugares específicos, mientras que los satélites ofrecen una cobertura espacial mucho más amplia. Los sistemas de predicción combinan estas observaciones con modelos atmosféricos para estimar la distribución actual de los contaminantes y predecir cómo pueden cambiar y desplazarse sus concentraciones durante las próximas horas y días.
Un pronóstico, muchas variables
No existe una única variable que describa por completo la calidad del aire. Los diferentes mapas responden a diferentes preguntas.
El Common Air Quality Index (CAQI) ofrece una visión general simplificada. En lugar de mostrar la concentración de una sola sustancia, combina varios contaminantes importantes en un índice que indica la calidad general del aire de fondo. meteoblue utiliza el Background CAQI porque los modelos atmosféricos no pueden reproducir las diferencias a muy pequeña escala que se encuentran directamente a lo largo de determinadas calles.
Sin embargo, para analizar una situación concreta con mayor detalle, suele ser mucho más informativo observar los componentes individuales.
PM10 y PM2.5 muestran las concentraciones de material particulado. PM10 representa partículas de menos de 10 micrómetros, mientras que PM2.5 representa la fracción más fina, con diámetros de 2,5 micrómetros o menos. Sus fuentes van desde los procesos de combustión y el humo de incendios forestales hasta el polvo y las partículas producidas por reacciones en la atmósfera.
El dióxido de nitrógeno (NO₂) está estrechamente relacionado con los procesos de combustión. En las ciudades, el tráfico rodado es una fuente importante. Sin embargo, el NO₂ también tiene fuentes naturales y participa en procesos químicos atmosféricos que conducen a la formación de ozono.
El dióxido de azufre (SO₂) está asociado especialmente con la combustión y el procesamiento de combustibles y materiales que contienen azufre. Una vez en la atmósfera, los compuestos de azufre pueden experimentar otras reacciones y contribuir a la contaminación por partículas y a la deposición ácida.
El monóxido de carbono (CO) se origina por una combustión incompleta y, por tanto, puede estar asociado a fuentes como los incendios y la quema de combustibles fósiles. También participa en la química atmosférica y afecta indirectamente a las concentraciones de otros gases, entre ellos el ozono y el metano.
En el caso del ozono (O₃), la situación es diferente: las concentraciones elevadas cerca de la superficie pueden desarrollarse mediante reacciones fotoquímicas en lugar de proceder de emisiones directas. La temperatura, la radiación solar, los contaminantes precursores y la circulación atmosférica influyen tanto en su formación como en su transporte.
El polvo del desierto representa otra fuente específica de aerosoles. Dado que puede ser transportado a distancias muy grandes, observar su pronóstico a diferentes alturas puede ayudar a revelar la estructura tridimensional de una intrusión de polvo.
La profundidad óptica de aerosoles (AOD) describe algo diferente de las concentraciones de PM2.5 o PM10 cerca de la superficie. La AOD indica en qué medida los aerosoles reducen la transmisión de la luz a través de toda la columna atmosférica. Los valores elevados de AOD pueden estar asociados al humo de incendios forestales, al polvo del desierto o a la contaminación antropogénica. Por ello, resulta útil para identificar grandes plumas de aerosoles, pero no debe interpretarse como una medida directa de lo que una persona respira a nivel del suelo.
Los pronósticos atmosféricos no se limitan a la contaminación. El polen también es transportado por la atmósfera. Los mapas meteorológicos de meteoblue incluyen capas de polen de gramíneas, ambrosía, abedul y olivo. El polen puede recorrer distancias considerables con las corrientes de aire, mientras que las precipitaciones pueden eliminarlo del aire. Las tormentas pueden complicar aún más la situación, ya que los vientos fuertes pueden aumentar inicialmente las concentraciones de polen en el aire.
En conjunto, estas diferentes capas muestran qué hay en el aire, de dónde puede proceder y cómo las condiciones meteorológicas influyen en su transporte.
¿Por qué es especialmente difícil predecir la calidad del aire local?
La contaminación del aire puede variar considerablemente en distancias muy cortas. Una estación de monitorización situada junto a una carretera muy transitada puede registrar concentraciones de NO₂ mucho más altas que otra estación situada en un parque a solo unos kilómetros de distancia. La orientación de las calles, la altura de los edificios, la intensidad del tráfico, las fuentes industriales y las condiciones locales del viento pueden contribuir a estas diferencias.
Los modelos atmosféricos regionales no pueden representar todos estos efectos a pequeña escala. Pueden reproducir adecuadamente un episodio de contaminación en una región más amplia, mientras que las condiciones cerca de una carretera muy transitada, una instalación industrial u otra fuente local pueden diferir de los valores modelizados.
Los modelos meteorológicos se enfrentan a un problema similar. Una mayor resolución puede proporcionar más detalles locales, pero los procesos que ocurren a escalas menores que la cuadrícula del modelo no siempre pueden representarse directamente.
¿Por qué utilizar un ensemble para pronosticar la calidad del aire?
Los pronósticos de calidad del aire presentan varias fuentes de incertidumbre. Las emisiones pueden cambiar, los pronósticos meteorológicos no son perfectos y los distintos modelos representan el transporte, los aerosoles y la química atmosférica de maneras diferentes.
Utilizar un ensemble de varios modelos ayuda a tener en cuenta estas diferencias. En lugar de depender de un único pronóstico, se pueden comparar o combinar los resultados de varios modelos. La variación entre ellos también proporciona una indicación de la incertidumbre del pronóstico.
Al igual que en la predicción meteorológica, ningún modelo ofrece siempre los mejores resultados para todos los contaminantes, lugares y situaciones atmosféricas. Cuando los modelos difieren, esa discrepancia proporciona por sí misma información útil sobre el grado de confianza que podemos tener en el pronóstico.
Entender la atmósfera como un sistema
Quizás el aspecto más interesante del pronóstico de la calidad del aire sea que ninguna de estas variables debe considerarse de forma aislada.
Un pronóstico de concentraciones elevadas de PM2.5 resulta más significativo cuando se compara con la dirección del viento. Una señal de aerosoles a gran escala puede analizarse junto con el pronóstico de polvo del desierto para determinar si pueden estar implicadas partículas minerales. Las concentraciones de ozono pueden considerarse junto con la temperatura, la radiación solar y la circulación atmosférica. Los pronósticos de polen pueden compararse con los de viento y precipitación.
La atmósfera conecta continuamente procesos que ocurren a escalas espaciales muy diferentes: desde las emisiones a lo largo de una calle urbana hasta las tormentas de polvo en el norte de África y los incendios forestales situados a cientos o miles de kilómetros de distancia.
Los modelos atmosféricos modernos intentan conectar todos estos elementos. Combinan meteorología, emisiones, química, procesos de transporte y observaciones para predecir qué sustancias podrían estar presentes en el aire que nos rodea durante las próximas horas y días.
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