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Estado del arte del uso de sensores de bajo costo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire por Material Particulado (PM10 y PM2.5) en el territorio colombiano. David Alejandro Buitrago Mesa Ramiro José Rodríguez Rodríguez Monografía presentada para optar al título de Especialista en Gestión Ambiental Asesor Mauricio Ramírez Arias, Magíster (MSc) en Ingeniería - Recursos Hidráulicos Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniería Especialización en Gestión Ambiental Medellín, Antioquia, Colombia 2022 Cita (Buitrago Mesa & Rodriguez Rodriguez, 2022) Referencia Estilo APA 7 (2020) Buitrago Mesa D. A., & Rodriguez, Rodriguez, R. J. (2022). Estado del arte del uso de sensores de bajo costo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire por Material Particulado (PM10 y PM2.5) en el territorio colombiano. [Trabajo de grado especialización]. Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia. Especialización en Gestión Ambiental, Cohorte XIV. SIATA - Sistema de Alerta Temprana de Medellín y el Valle de Aburrá, Purple Air, IDEAM - Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales. Biblioteca Carlos Gaviria Díaz Repositorio Institucional: http://bibliotecadigital.udea.edu.co Universidad de Antioquia - www.udea.edu.co Rector: John Jairo Arboleda Céspedes Decano/Director: Jesús Francisco Vargas Bonilla Jefe departamento: Julio César Saldarriaga Molina El contenido de esta obra corresponde al derecho de expresión de los autores y no compromete el pensamiento institucional de la Universidad de Antioquia ni desata su responsabilidad frente a terceros. Los autores asumen la responsabilidad por los derechos de autor y conexos. http://www.udea.edu.co/ Contenido Resumen.................................................................................................................................... 10 Abstract ..................................................................................................................................... 11 1. Planteamiento del problema ................................................................................................ 12 2. Objetivos ............................................................................................................................ 16 2.1. Objetivo general ......................................................................................................... 16 2.2. Objetivos específicos ................................................................................................. 16 3. Marco teórico ..................................................................................................................... 17 3.1. Contaminación atmosférica ........................................................................................ 17 3.1.1. Clasificación de los contaminantes ....................................................................... 17 3.1.2. Efectos de la contaminación atmosférica .............................................................. 18 3.2. Estado de la calidad del aire ....................................................................................... 19 3.2.1. Monitoreo de la calidad del aire ............................................................................ 19 3.2.2. Sistema de vigilancia de calidad del aire (SVCA) administrados por las autoridades ambientales. ....................................................................................................................... 21 3.2.3. Sensores de bajo costo .......................................................................................... 22 4. Metodología ....................................................................................................................... 25 5. Estado del Arte ................................................................................................................... 27 5.1. Inicios ........................................................................................................................ 27 5.2. Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA) ............................................................. 27 5.2.1. Evaluación de la calidad del aire a través de la ciencia ciudadana ............................. 27 5.3. Agencia de Protección Ambiental De Los Estados Unidos (EPA) .............................. 28 5.3.1. Protocolos de prueba de rendimiento, métricas y valores objetivo para sensores de aire de partículas finas. ....................................................................................................... 29 5.3.2. Guía para el desarrollo de una red de monitoreo comunitaria de la calidad del aire. 30 5.4. Sensores de bajo costo en Latinoamérica .................................................................... 30 5.4.1. Análisis de la contaminación en megaciudades mexicanas mediante la utilización de redes de sensores de bajo costo de calidad del aire ......................................................... 30 5.5. Colombia ................................................................................................................... 33 5.5.1. Barranquilla ......................................................................................................... 33 5.5.2. Bogotá .................................................................................................................. 33 5.5.3. Bucaramanga........................................................................................................ 41 5.5.4. Cali ...................................................................................................................... 42 5.5.5. Cartagena ............................................................................................................. 43 5.5.6. Medellín ............................................................................................................... 45 6. Descripción de estaciones de monitoreo de los sistemas de vigilancia de calidad del aire (SVCA) usados en las comparaciones con los sensores de bajo costo. ........................................ 48 7. Análisis de correlación entre las concentraciones de material particulado por los sensores de bajo costo y las estaciones de monitoreo de los sistemas de vigilancia de calidad del aire (SVCA). ……………………………………………………………………………………………………51 8. Porcentaje de acierto respecto al índice de calidad del aire (ICA) categorizado por los sensores de bajo costo y las estaciones de monitoreo de los sistemas de vigilancia de calidad del aire (SVCA) para el pm2.5 ............................................................................................................................. 72 9. Comparación de normas, protocolos y cajas de herramientas de las agencias EPA y EEA con las existentes en Colombia ......................................................................................................... 79 10. Conclusiones ...................................................................................................................... 87 11. Recomendaciones ............................................................................................................... 88 12. Referencias ......................................................................................................................... 90 Lista de Tablas Tabla 1.Valores de R2 antes y después de calibración con datos de dos meses para resolución horaria. ...................................................................................................................................... 39 Tabla 2. Valores de R2 antes y después de calibración con datos de dos meses para resolución diaria. ........................................................................................................................................39 Tabla 3. Valores de R2 antes y después de calibración con datos de cuatro meses para resolución horaria. ...................................................................................................................................... 40 Tabla 4. Valores de R2 antes y después de calibración con datos de cuatro meses para resolución diaria. ........................................................................................................................................ 40 Tabla 5. Identificación de estaciones de calidad del aire, ubicación y clasificación.................... 49 Tabla 6. Identificación de estaciones de calidad del aire, ubicación, clasificación y de sensores de bajo costo. Adaptado de U.S. Environmental Protection Agency’s, 2021 y European Environment Agency, 2019 ............................................................................................................................ 79 Lista de Figuras Figura 1. (a) Serie temporal y (b) diagrama de dispersión de resultados del sensor SN001 contra la estación CCA. ........................................................................................................................ 32 Figura 2. Ubicación de las estaciones de calidad del aire y de los sensores de bajo costo utilizados en el desarrollo de este trabajo. .................................................................................................. 50 Figura 3. Diagramas de dispersión de los datos de PM10 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Tráfico Sur. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM10 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. ..................................................................................................................... 53 Figura 4.. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM10 obtenidas con el equipo oficial de la estación Tráfico Sur y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Tráfico Sur. ................................................................................. 54 Figura 5. Histogramas marginales para las concentraciones de PM10 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Tráfico Sur de la Red de Calidad del Aire del Valle de Aburrá. ........................................................................................................... 55 Figura 6. Variación espacial de los coeficientes de correlación entre las series de PM10 de las nubes de Ciudadanos Científicos y la serie de este contaminante en la estación Tráfico Sur. Para el cálculo de los coeficientes de correlación se utilizaron los registros del año 2020. ................. 56 Figura 7. Diagrama de dispersión de las concentraciones de PM2.5 obtenidas a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la Estación Escuela Joaquín Aristizábal. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM10 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. ............................................... 58 Figura 8. Diagramas de dispersión de los datos de PM 2.5 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Barbosa torre social. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM 2.5 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. ..................................................................................... 58 Figura 9. Diagramas de dispersión de los datos de PM 2.5 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Trafico centro. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM 2.5 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. ....................................................................................... 59 Figura 10. Diagramas de dispersión de los datos de PM 2.5 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Trafico sur. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM 2.5 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. ....................................................................................................... 60 Figura 11. Diagramas de dispersión de los datos de PM 2.5 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Casa de Justicia de Itagüí.. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM 2.5 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. ........................................................................... 61 Figura 12. Diagrama de dispersión de la correlación entre los sensores de bajo costo (Purple Air) y la Estación Ferias. .................................................................................................................. 61 Figura 13. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Tráfico Sur y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Tráfico Sur. ................................................................................. 62 Figura 14. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Joaquin Aristizabal. y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Joaquin Aristizabal. ............................................................... 63 Figura 15. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Trafico centro. y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Trafico centro.............................................................................. 63 Figura 16. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Casa de Justicia de Itagüí. y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Casa de Justicia de Itagüí. .................................... 63 Figura 17. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Barbosa Torre Social y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Barbosa Torre Social. ........................................................... 64 Figura 18. Variación para el año 2021 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Ferias y con la nube del programa de Purple air cercana a la estación Ferias. .................................................................................................................................................. 64 Figura 19. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Escuela Joaquín Aristizábal. . 65 Figura 20. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Barbosa Torre Social. ........... 66 Figura 21. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Tráfico Centro. ..................... 66 Figura 22. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Tráfico Sur. ..........................68 Figura 23. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Casa de Justicia de Itagüí...... 69 Figura 24. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir Purple Air y la Estación Ferias.............................................................................................................. 70 Figura 25. Variación espacial de los coeficientes de correlación entre las series de PM25 de las nubes de Ciudadanos Científicos y la serie de este contaminante en las estaciones CAL-JOAR, BAR-TORR, CEN-TRAF, SUR-TRAF e ITA-CJUS del AVMA. Para el cálculo de los coeficientes de correlación se utilizaron los registros del año 2020. ........................................... 71 Figura 26. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Escuela Joaquín Aristizábal. ................................. 74 Figura 27. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Barbosa Torre Social. ........................................... 75 Figura 28. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Tráfico Centro. ..................................................... 76 Figura 29. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Tráfico Sur............................................................ 77 Figura 30. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Escuela Joaquín Aristizábal. ................................. 78 Siglas, acrónimos y abreviaturas APA American Psychological Association EEA Agencia Ambiental Europea (European Environment Agency): EPA Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (Environmental Protection Agency) MSc Magister Scientiae PM Material particulado PM10 Material particulado menor a 10 micrómetros PM2.5 Material particulado menor a 2.5 micrómetros PST Partículas suspendidas totales SVCA Sistema de Vigilancia de la Calidad del Aire. UdeA Universidad de Antioquia μm Unidad de longitud, micrómetro ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 10 Resumen La concentración de material particulado con diámetro menor a 10μm (PM10) y menor a 2.5μm (PM2.5) son parámetros utilizados en la determinación del nivel de contaminación del aire que respiramos. El contaminante con mayor potencial de afectación en el territorio colombiano es el material particulado menor a 2.5 micras (IDEAM, 2022). Según la Organización Mundial de la Salud, El material particulado provoca 4,2 millones de defunciones prematuras al año en el mundo y en Colombia la contaminación del aire es el riesgo ambiental que mayor número de muertes causa al año, se estima que 8% de la mortalidad anual es por factores de riesgo ambiental. Debido a estas cifras se hace de vital importancia un estricto seguimiento de dichas variables en Colombia y el mundo. Realizando una búsqueda de investigaciones, principalmente en Colombia acerca de sensores de bajo costo para la medición de PM10 y PM2.5, hemos podido determinar que los estudios realizados muestran a los sensores como una buena opción para hacer seguimiento de la calidad del aire. Adicionalmente se realizaron comparaciones entre datos de sensores de bajo costo de SIATA y Purple Air frente a estaciones de monitoreo a través de series de tiempo, diagramas de dispersión, cálculo de la correlación de Pearson e índice de calidad del aire (ICA) para hallar la relación entre las diferentes variables, obteniendo resultados positivos. Palabras clave: Sensores de bajo costo, calidad del aire, material particulado, concentración, correlación. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 11 Abstract The concentration of particulate matter with a diameter of less than 10μm (PM10) and less than 2.5μm (PM2.5) are parameters used to determine the level of pollution in the air we breathe. Particulate matter causes 4.2 million premature deaths a year in the world. In Colombia, air pollution is the environmental risk that causes the greatest number of deaths per year; it is estimated that 8% of annual mortality is due to environmental risk factors. Due to these numbers, strict monitoring of these variables is crucial, as well as an increase in regulatory air quality monitoring stations that allow said monitoring. As part of the solution to the absence of monitoring stations in many territories, there is the possibility of implementing low-cost sensors which offer a low cost and more viable alternative. In this document, tests for the use of low-cost sensors were identified and analyzed in projects to monitor air quality for particulate matter (PM10 and PM2.5) in Colombia. Additionally, comparisons were made between PM10 and PM2.5 data from low-cost sensors from SIATA and Purple Air against monitoring stations through time series, scatterplots, Pearson correlation calculation and success rate to find the relationship between the different variables, obtaining positive results that allow us to determine that the studies carried out show the sensors as a good option to monitor air quality in places where they do not have air quality monitoring stations. Keywords: Particulate matter; concentration; correlation; air quality, air pollution. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 12 1. Planteamiento del problema La contaminación del aire es actualmente uno de los conflictos ambientales, sociales y económicos más severos en todo el mundo representando una amenaza para todos ya que no conoce fronteras, causado por las altas tasas de emisiones de contaminantes a la atmósfera, leyes flexibles, la variación climática, entre otros (Maldonado & Rojas, 2019). Según los últimos informes del estado de la calidad del aire en Colombia, elaborados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales –IDEAM-, el contaminante con mayor potencial de afectación en el territorio nacional es el material particulado menor a 2.5 micras (IDEAM, 2022). La mala calidad del aire tiene una relación directa con la calidad de vida de los individuos, ya que afecta directamente a su salud. Según datos de la Organización Mundial de la Salud, aproximadamente siete millones de personas mueren cada año por la contaminación atmosférica (OMS, 2018). Del mismo modo, estiman que aproximadamente el 90% de las personas de todo el mundo respiran aire contaminado. Asimismo, los efectos de la baja calidad del aire para el caso de Colombia se han materializado en la muerte de alrededor de “8.000 personas al año” según la Procuraduría General de la Nación en compañía de la Organización de las Naciones Unidas (PROCURADURÍA, 2019). Como respuesta a esto, diferentes ciudades han optado por implementar sistemas de monitoreo de contaminantes atmosféricos, lo que ha sido indispensable para comprender los procesos fisicoquímicos que estos experimentan al ser liberados a la atmósfera y su relación con los efectos que producen en el ambiente. Diariamente se emiten elevadas concentraciones de contaminantes criterio, los cuales comprenden el dióxido de azufre, el dióxido de nitrógeno, el monóxido de carbono, material ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 13 particulado con un diámetro de 10 y 2,5micrómetros (PM10 y PM2.5 respectivamente) y ozono, así mismo, se emiten compuestos orgánicos volátiles y metales en el aire. Según datos proporcionados en el Informe del Estado de la Calidad del Aire en Colombia para el año 2020 publicado por el IDEAM, para el parámetro PM10 en el 94,2% de las estaciones de monitoreo de Colombia se evidencia cumplimiento del nivel máximo permisible en un tiempo de exposición anual, igual a 50 µg/m3, según lo establecido en la Resolución 2254 del 2017 del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible. Las estaciones que durante 2020 sobrepasaron el referente normativo mencionado se ubican en las ciudades de Bogotá (estación Carvajal Sevillana) y Cali (estación ERA Obrero) y en los municipios de Ráquira, Boyacá (estación Colegio) y Soacha, Cundinamarca (estación UNIMINUTO). Estas estaciones se caracterizan por estar ubicadas en zonas con alta densidad poblacional, gran número de fuentes móviles y por la afectación asociada a las fuentes fijas industriales, causando aumento de las concentraciones de este contaminante en el aire ambiente. Al considerar los resultados para PM2.5, el comportamiento anual de este contaminante, indica que el 93,8% de las estaciones de monitoreo, presentaron concentraciones inferiores al nivel máximo permisible anual definido como 25 µg/m3, según la resolución anteriormente mencionada. Las estaciones de monitoreo que sobrepasan la norma anual de PM2.5, están ubicadas en los municipios de Medellín (estación Tráfico Centro) y Sabaneta (estación Tráfico Sur), ambas en jurisdicción del Área Metropolitana del Valle de Aburrá, y en la ciudad de Bogotá (estación Carvajal Sevillana) (IDEAM, 2021). Los Sistemas de Vigilancia de Calidad del Aire (SVCA) que operan en el país, que según el informe del IDEAM para el año 2020 se contó con un total de 210 estaciones de monitoreo (187 fijas y 23 indicativas), abarcando 19 departamentos y 80 municipios (IDEAM, 2021), ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 14 se ven limitados por el alto costo de los equipos de medición aprobados/validados por una agencia ambiental internacional sumado al bajo presupuesto de inversión estatal que se brinda hoy en día para proyectos de esta índole. Los mantenimientos y calibraciones requeridas para garantizar el correcto funcionamiento de los diferentes equipos también pueden afectar el costo de operación de los SVCA. Todo lo anterior restringe la cobertura espacial a nivel nacional. En más de 1.000 municipios del país no hay planes de prevención, reducción y control de contaminación del aire (Maldonado & Rojas, 2019). Los diferentes Sistemas de Vigilancia de Calidad del Aire (SVCA) del país han identificado al material particulado menor a 10 y 2,5 micras (PM10 y PM2,5) como los contaminantes criterio de mayor medición e importancia en todo el territorio nacional. (IDEAM, 2021), De esta manera, se hace necesario proyectar alternativas que permitan afrontar la problemática actual relacionada con la contaminación ambiental para minimizar los impactos generados y solucionarla en el largo plazo, desarrollando acciones complementarias de monitoreo como las iniciativas de activistas ambientales que proponen a la población en general que midan la calidad del aire en las zonas que frecuentan. En los últimos años han surgido diversos sensores de partículas (Alphasense OPC N2, Shinyei, Dylos, AirBeam, MetOne, entre otros) que representan una fracción mínima del costo de los equipos de medición validados por una agencia ambiental internacional como lo es la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (US–EPA Environmental Protection Agency en inglés) y la Agencia Ambiental Europea (EEA European Environment agency), en inglés) sin ser un sustituto directo de los instrumentos de referencia. Estos sensores permiten realizar monitoreos para evaluar el estado de la calidad del aire y ser utilizados con fines indicativos con el fin de dar viabilidad a nuevos lugares de monitoreo en ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 15 el territorio nacional, complementar la información, posibilitar el diseño de nuevos programas regionales y locales para reducir las emisiones de los contaminantes, definir y/o fortalecer las políticas públicas enfocadas a prevenir y reducir los efectos de la contaminación atmosférica y el cambio climático, y contribuir en la reducción de los niveles de mortalidad y las pérdidas económicas relacionadas con la calidad del aire. Estos sensores pueden estimar una variedad de contaminantes que incluyen: polvo, partículas finas, dióxido de carbono, monóxido de carbono, ozono, óxido de nitrógeno y muchos otros. A su vez son más compactos y utilizan diferentes principios para la medición de los contaminantes, con la particularidad de leer algunos contaminantes directamente. (US EPA, 2022) En Colombia no se cuenta con un amplio estado del arte del uso de sensores de bajo costo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire por material particulado (PM10 y PM2.5), por lo cual, se hace importante poder analizar las investigaciones realizadas relacionadas con el uso de sensores de bajo costo y la implementación de estos y la recopilación de proyectos existentes de ciencia ciudadana en Colombia para medir la calidad del aire usando este tipo de sensores, permitiendo evidenciar además estudios faltantes por realizar que permitan responder a los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), especialmente el número once, que intenta lograr ciudades y asentamientos humanos más inclusivos, seguros, resistentes y sostenibles (UN, 2022). ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 16 2. Objetivos 2.1. Objetivo general Elaborar un estado del arte del uso de sensores de bajo costo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire por material particulado (PM10 y PM2.5) en Colombia. 2.2. Objetivos específicos ● Identificar y analizar experiencias de utilización de sensores de bajo costo en proyectos para el monitoreo de la calidad del aire por material particulado (PM10 y PM2,5) en Colombia. ● Determinar correlaciones y realizar un análisis estadístico de la variabilidad entre las concentraciones obtenidas de material particulado por los sensores de bajo costo y las estaciones de monitoreo en el territorio colombiano. ● Comparar normas, protocolos, guías o cajas de herramientas de las agencias EPA y EEA con las existentes en Colombia para identificar lineamientos que puedan ser adoptados en el país. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 17 3. Marco teórico 3.1. Contaminación atmosférica Se define la contaminación atmosférica como la presencia en el aire de materias o formas de energía que impliquen riesgo, daño o molestias graves para las personas y bienes de cualquier naturaleza (Aranguez et al., 1999). 3.1.1. Clasificación de los contaminantes 3.1.1.1. Según el origen La contaminación atmosférica es originada por la emisión, acumulación y mezcla de contaminantes en el aire provenientes de fuentes naturales (Ej. volcanes y plantas) y fuentes antropogénicas (Ej. industrias, servicios y vehículos). Los contaminantes emitidos directamente de las fuentes a la atmósfera se denominan contaminantes primarios. Se incluyen en esta categoría: • Gases inorgánicos como SO2, NOX, H2S, CO, NH3, CO2, HF. • Partículas como cenizas, humo, polvo, humos, nieblas, aerosoles. • Hidrocarburos olefínicos y aromáticos. • Compuestos radiactivos. Los contaminantes secundarios son aquellos que se derivan de los contaminantes primarios resultado de reacciones químicas o fotoquímicas en la atmósfera. Los contaminantes como SO2, NO2, O3, sales de sulfato y nitrato, aldehídos y nitrato de peroxiacetilo (PAN)se incluyen en esta categoría (Romero, Olite & Álvarez, 2006). 3.1.1.2. Según el estado de la materia Pueden ser contaminantes gaseosos y particulados, aerosoles, componentes metálicos, contaminantes radiactivos y pesticidas (Romero, Olite & Álvarez, 2006). ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 18 ● Contaminantes gaseosos: Compuestos de azufre (SO2 - H2S – SO3 – H2SO4), compuestos de nitrógeno, (NO - NH3 – NO2), compuestos del carbono (Aldehídos – cetonas), óxidos de carbono (CO, CO2), compuestos de los halógenos (HF, HCL) (Mannes et al., 2005). ● Contaminantes por partículas: PM 10 Y PM 2.5 Los pequeños cuerpos sólidos y las gotas líquidas se denominan partículas. Las fuentes antropogénicas para la emisión de partículas incluyen cenizas volantes de plantas de energía, fundiciones, combustión de combustible, operaciones industriales, quema de desechos, etc. La contaminación por partículas incluye: PM10: partículas inhalables que tienen diámetros de, por lo general, 10 micrómetros y menores. PM2.5: partículas inhalables finas que tienen diámetros de, por lo general, 2.5 micrómetros y menores. El material particulado (MP) pertenece a aquellos contaminantes del aire cuyos efectos adversos sobre la salud están particularmente bien documentados (Organización Mundial de la Salud, 2013). La materia particulada inhalada influye negativamente en el funcionamiento del sistema respiratorio, También causa y agrava el curso de las enfermedades cardiovasculares e impacta negativamente en el sistema nervioso (Scibor, 2019). 3.1.2. Efectos de la contaminación atmosférica La exposición de la población a la contaminación del aire es ubicua e involuntaria y puede ocasionar desde efectos fisiológicos imperceptibles hasta enfermedades y muerte. “Los niños son un grupo especialmente vulnerable por la inmadurez del sistema respiratorio e inmune y por las conductas propias de la edad” (Ubilla & Yohannessen, 2017). Los efectos ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 19 respiratorios en los niños reportados en la literatura incluyen: aumento de síntomas y consultas de urgencia por causas respiratorias, aumento de exacerbaciones asmáticas y reducción en la función pulmonar. El efecto a largo plazo con evidencia más consistente es el déficit en el crecimiento de la función pulmonar en los niños más expuestos. 3.2. Estado de la calidad del aire Se puede destacar a la calidad del aire como el principal tópico a seguir y controlar para establecer las condiciones apropiadas que no deben ser alteradas por ninguna causa alguna, en el estudio sobre la mitigación de la contaminación atmosférica. Una excelente valoración de la calidad del aire permite conocer los principales componentes en ella que permiten el desarrollo de los organismos vivos, además de prevenir las causas del cambio climático en la tierra, por su influencia en el balance radiactivo terrestre (Querol, 2012). 3.2.1. Monitoreo de la calidad del aire Bajo la Resolución 2254 de 2017, el Ministerio de Ambiente y Desarrollo actualizó los estándares nacionales de calidad del aire ambiental para el ozono (O3), material particulado menor a 10 micras (PM10), material particulado menor a 2.5 micras (PM2.5), monóxido de carbono (CO), dióxido de nitrógeno (NO2) y dióxido de azufre (SO2), con el fin de proteger la salud de la población y el bienestar humano. (Ministerio de Ambiente, 2017) Para monitorear los contaminantes criterio con el fin de realizar la comparación con los límites máximos permisibles establecidos por la normatividad nacional, se deben utilizar los métodos de referencia o métodos equivalentes basados en las agencias ambientales US–EPA (Environmental Protection Agency) y EEA (European Environment Agency), como lo establece el numeral 6.5.1. Métodos de referencia en el Manual de Diseño de Sistemas de ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 20 Vigilancia de Calidad del Aire del Protocolo para el Monitoreo y Seguimiento de Calidad del Aire. La medición de contaminantes atmosféricos se realiza a través de diversos métodos que se agrupan según el principio de medición. 3.2.1.1. Muestreo pasivo Consiste en colectar un contaminante específico por medio de su adsorción y/o absorción en un sustrato químico, por un periodo de muestreo, que puede variar desde una hora hasta un año, Posteriormente la muestra se traslada al laboratorio donde se realiza la desorción del contaminante para ser analizado cuantitativamente. Para este muestreo, se utilizan muestreadores pasivos que se presentan en diversas formas y tamaños, principalmente en forma de tubos o membrana. (Instituto Nacional de Ecología de México, 2012), por ejemplo, el muestreador difusivo de NO2, tipo tubo. (Ministerio de Ambiente, 2010) 3.2.1.2. Muestreo activo Consiste en succionar el aire a muestrear a través de un medio de colección físico o químico, para lo que se requiere de energía eléctrica. El volumen adicional de aire muestreado incrementa la sensibilidad, por lo que se efectúan mediciones diarias promedio. Los muestreadores activos incluyen burbujeadores (gases) e impactadores (partículas) (Instituto Nacional de Ecología de México, 2012), por ejemplo, un equipo de material particulado Menor a 10 micras de marca Tisch Environmental modelo TE-6070 con método de designación de la EPA RFPS-0202-141 (EPA, 2022). 3.2.1.3. Método automático Estos métodos son los mejores en términos de la alta resolución de sus mediciones, permitiendo llevar a cabo mediciones de forma continua para concentraciones horarias y con mayor resolución temporal. El espectro de contaminantes que se pueden determinar va desde ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 21 los contaminantes criterio (PM10-PM2.5, CO, SO2, NO2, O3) hasta los contaminantes tóxicos en el aire como mercurio y algunos compuestos orgánicos volátiles. (Instituto Nacional de Ecología de México, 2012). Un ejemplo de equipos incluidos en esta categoría es un monitor de material particulado menor a 10 micras de Met One Instruments, Inc. modelo E-BAM PLUS con método de designación de la EPA EQPM-1215-226 (EPA, 2022). 3.2.1.4. Método óptico de percepción remota Se basa en transmitir un haz de luz de una cierta longitud de onda a la atmósfera y medir la energía absorbida. Esta técnica espectroscópica permite hacer mediciones, en tiempo real, de la concentración de los contaminantes y proporciona mediciones integradas de multicomponentes a lo largo de una trayectoria específica en la atmósfera. Los equipos que se utilizan se conocen como sensores remotos. (Instituto Nacional de Ecología de México, 2012) como por ejemplo el sensor Temtop M2000C. 3.2.2. Sistema de vigilancia de calidad del aire (SVCA) administrados por las autoridades ambientales. El informe del estado de la calidad del aire en Colombia, para el año 2020, dio a conocer, que el país contó con un total de 23 SVCA operados por autoridades ambientales, algunos de los cuales empezaron a monitorear la calidad del aire desde 1993, denotando importantes avances en los SVCA para la medición de contaminantes criterio. Estos sistemas están compuestos por equipos que cumplen los métodos de referencia o métodos equivalentes aprobados en las agencias ambientales US-EPA o y son operados por las Corporaciones Autónomas Regionales, las de Desarrollo Sostenible, los Grandes Centros Urbanos y las autoridades ambientales creadas mediante la Ley 768 de 2002, para evaluar las concentraciones de contaminantes en relación con la Resolución 2254 de 2017. Los SVCA ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 22 típicamente requieren instrumentación muy sofisticada y bien establecida para cumplir con los requisitos de precisión de la medicióny un amplio conjunto de procedimientos para garantizar que la calidad de los datos sea suficiente, por lo tanto, se ven limitados por el alto costo de equipos, su constante mantenimiento y la calibración permanente. (Ministerio de Ambiente, 2010). 3.2.3. Sensores de bajo costo Recientemente han surgido diversos sensores de bajo costo y portables que permiten realizar monitoreos de la calidad del aire, reportando mediciones con una frecuencia de minutos, o incluso segundos, haciendo posible conocer cambios en la calidad del aire en el transcurso del día, y cuyo uso satisface una variedad de necesidades que van desde programas educativos hasta recopilaciones de datos para la investigación profesional. Estos sensores detectan y miden contaminantes gaseosos y particulados en el aire, dichos dispositivos tienen la posibilidad de monitorear la calidad del aire interior, la calidad del aire exterior y poderse desplazar. Aunque, se encuentran en una fase inicial de desarrollo de tecnología, y varios de estos, aún no se han evaluado para decidir la exactitud de sus mediciones, cada día, hay más información para aquellos interesados en utilizar tecnologías de sensores de calidad del aire de menor costo para medir la calidad del aire, sumado a que el mercado de la tecnología de sensores de aire se está expandiendo a medida que más empresas ponen a disposición monitores portátiles de menor costo para el público y teniendo en cuenta que la mayoría de los sensores disponibles comercialmente se calibran en un laboratorio, con pruebas limitadas en entornos reales o comparados con métodos de referencia federales, se hace necesario la evaluación de la precisión de los sensores operados en el entorno ambiental a partir de la comparación con una estación robusta. (U.S EPA, 2014) ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 23 No existe una definición concreta de sensor, dado que se debe distinguir entre el módulo del sensor y todo el sistema de monitoreo, que normalmente incluye uno o varios módulos de sensor junto con una caja protectora, sistema de alimentación, hardware y componentes para transmisión, almacenamiento y recuperación de datos. De esta manera, en este trabajo se aplica el término sensor al módulo sensor, ya sea proporcionado directamente por el fabricante del equipo original o de todo el sistema de monitoreo. Los sensores ópticos de partículas calculan las concentraciones de masa indirectamente, basándose en un modelo teórico: las mediciones ópticas asumen una cierta densidad de material particulado, luego se convierte el número de partículas y las distribuciones de tamaño en concentraciones de masa. Los sensores de material particulado de bajo costo se ven afectados por la humedad relativa, ya que no incluyen ningún sistema para secar las partículas, lo cual es crítico para humedades relativas altas (entre 80 y 90%), sumado a esto, los resultados asociados a los sensores ópticos de material particulado se consideran mucho más inciertos que los obtenidos por los instrumentos oficiales de referencia. (European Environment Agency, 2019) El término “bajo costo” se refiere al precio de compra de los sensores, en comparación con el precio de compra y el costo operativo de los equipos de medición aprobados por los métodos de referencia o métodos equivalentes basados en las agencias US-EPA o EEA. El término es relativo, dependiendo del autor y el propósito específico. En este trabajo, el sensor de bajo costo se definió como un módulo sensor con un precio menor a diez millones de pesos (Kortoçi, 2022). Existen tres tipos de sensores de partículas de bajo costo en el mercado, que son el gravimétrico, mecánico y óptico. En el caso de los sensores de tipo mecánicos y ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 24 gravimétricos, estos miden directamente la masa de partículas en un volumen dado, mientras que los ópticos miden la cantidad de partículas en un volumen dado. En este último caso, el usuario tiene que convertir la "cantidad de partículas" en una "masa de partículas", lo cual es un cálculo aproximado, ya que cambia según la naturaleza de la partícula (Canu et al., 2018). ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 25 4. Metodología La metodología de este proyecto comprende una investigación documental cualitativa de nivel descriptivo, debido a que se efectuará mediante la recolección, descripción y análisis de artículos publicados, proyectos de participación ciudadana y producción académica de trabajos de grado de sensores de bajo costo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire por material particulado (PM10 y PM2.5) en Colombia, con el fin de obtener una perspectiva global del estado actual del conocimiento, en el que el interés se centre en determinar las correlaciones entre las concentraciones obtenidas por los sensores de bajo costo y los equipos de referencia en el territorio colombiano, en identificar y analizar proyectos de ciencia ciudadana para medir la calidad del aire con sensores de bajo costo y en revisar y comparar normas, protocolos o guías de las agencias EPA y EEA con las que puedan existir en Colombia. Esta metodología se realizará en 3 fases las cuales están detalladas de la siguiente manera. ● La investigación se realizará en un contexto digital, ya que la metodología consiste en realizar una búsqueda booleana y parametrizada, en el catálogo de recursos de información digital y electrónicos de la Universidad de Antioquia y en los repositorios de las Universidades Colombianas, comprendiendo los campos “título del artículo”, "resumen", y “palabras clave” con fecha de publicación después del 2014 y antes del 2022 y a su vez identificar y analizar proyectos de ciencia ciudadana para medir la calidad del aire usando sensores de bajo costo en Colombia. Una vez almacenados y registrados los datos obtenidos, se evaluarán según criterios establecidos como resultados pertinentes y respaldo de datos, seguido de contrastar la información recolectada y examinar los diferentes puntos de vista con el fin de ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 26 asegurar documentos merecedores para hacer parte del documento final, presentando el resumen, objetivos, metodología de medición, tipo de sensor y la validación usada. ● Recopilar series de datos de mediciones de sensores de bajo costo y equipos de referencia en Colombia para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire, analizando la suficiencia y pertinencia de los datos proporcionados por las entidades gubernamentales y no gubernamentales, para el análisis estadístico de la variabilidad y diseñar diagramas de dispersión para analizar las tendencias espacio temporales. ● Comparar normas, protocolos, guías o cajas de herramientas de las agencias EPA y EEA con las existentes en Colombia para identificar lineamientos que ayuden a implementar y regular el uso de sensores de bajo costo en el país. ● Por último, se presentarán los resultados en un documento final. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 27 5. Estado del Arte 5.1. Inicios El primer progreso referente a los dispositivos compactos y de bajo costo se dio en el año 2013 por parte de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos - EPA, planteando los avances y aplicación de estos para generar información sobre la calidad del aire. A su vez, el primer proyecto en el que se probó la efectividad de diferentes modelos de sensores de casi todos los contaminantes criterio se da en el 2015, con el desarrollo de una estación de monitoreo con este tipo de sensores, en Atlanta, Georgia, EE. UU. En marco del proyecto CARSENSE. (Rico Soto, 2018) 5.2. Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA) Lacontaminación del aire es la mayor amenaza para la salud ambiental en Europa y América latina, a raíz de ello, cada vez más personas están tomando medidas para reclamar su derecho a un aire limpio. El informe de la Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA, por sus siglas en inglés) ofrece una visión general de los dispositivos de bajo costo. (European Environment Agency, 2019) 5.2.1. Evaluación de la calidad del aire a través de la ciencia ciudadana Las iniciativas de ciencia ciudadana centradas en la calidad del aire suelen utilizar dispositivos de medición de bajo costo para obtener más información sobre la contaminación del aire, abordando una variedad de objetivos. Los ejemplos de participación en iniciativas de medición de la calidad del aire cada vez son más ambiciosos y tanto desde una perspectiva científica como política, están creciendo en escala. El informe de la Agencia ambiental europea, sumado a lo explicado anteriormente, también explica el funcionamiento de los diferentes sensores de bajo costo utilizados y ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 28 discute la confiabilidad de diferentes de estos dispositivos en la medición de la calidad del aire. En este documento también se plantea cómo se pueden utilizar los sensores de bajo costo por personas del común, en redes y en plataformas de servicios de información, y considera sobre cómo estos dispositivos de bajo costo pueden tener nuevos enfoques para abordar la problemática de calidad del aire. En 2017, el Instituto Nacional de Salud Pública y Medio Ambiente de Países Bajos, RIVM por sus siglas en inglés, distribuyó 55 sensores de bajo costo, y en vísperas de 2018 alrededor de 130 ciudadanos holandeses utilizaron estos sensores para medir partículas suspendidas en el aire alrededor de sus casas durante el año nuevo, luego compartieron los resultados de las mediciones a través de un portal de datos. Las mediciones oficiales de la Red Nacional Holandesa de Monitoreo de la Calidad del Aire mostraron un aumento aún mayor que los sensores de bajo costo, aunque la magnitud del aumento fue diferente, la forma de la señal de los dos instrumentos fue la misma. (European Environment Agency, 2019) 5.3. Agencia de Protección Ambiental De Los Estados Unidos (EPA) La EPA cuenta con una guía original de sensores de aire de bajo costo publicada en 2014, la cual representaba para ese momento el estado de conocimiento y de la tecnología de medición disponible. Dados los nuevos desarrollos tecnológicos, la EPA actualmente se encuentra en el proceso de actualización de estas guías (US EPA, 2022). Por otra parte, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América ya cuenta con resultados de la evaluación del desempeño de un grupo de microsensores de material particulado, para la que han probado trece marcas comerciales de sensores, en el que el sensor Met One Modelo 831, para el parámetro PM10, tiene la mejor correlación con el equipo Grimm Modelo ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 29 EDM180 PM2.5, método de designación EQPM-0311-195 con un valor de 0,77 (US EPA, 2022). Dado que, en los últimos años ha aumentado el uso de sensores de bajo costo para medir la calidad del aire y la calidad de los datos del sensor es muy variable, surge la necesidad de ¿establecer? protocolos de prueba consistentes para evaluar el rendimiento de este tipo de sensores y poder entender cómo se comparan los datos con los obtenidos con los de los monitoreos de aire reglamentarios (US EPA, 2022). A raíz de lo anterior se presenta a continuación el protocolo de prueba. 5.3.1. Protocolos de prueba de rendimiento, métricas y valores objetivo para sensores de aire de partículas finas. El uso de sensores de bajo costo para medir la calidad aire, ha crecido exponencialmente para una variedad de aplicaciones, sin embargo, todavía existe una variabilidad significativa en la calidad de los datos. Actualmente no existen protocolos de prueba, métricas u objetivos estándar para evaluar el rendimiento de los sensores de aire de manera uniforme. Sin estos procedimientos estándar, es difícil para los consumidores comprender el rendimiento de un dispositivo determinado y seleccionar sensores que sean adecuados para una aplicación deseada (U.S. Environmental Protection Agency’s, 2021). Si bien los sensores de bajo costo no se pueden usar para el monitoreo regulatorio, pueden ser útiles para lo que la EPA denomina aplicaciones de "monitoreo suplementario e informativo no regulatorio", para lo cual se requieren protocolos estándar para evaluar los sensores y así proporcionar confianza en la calidad de los datos y orientar a los consumidores a seleccionar los sensores adecuados para su aplicación. Este protocolo describe los informes ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 30 de prueba, las métricas de rendimiento específicas y los niveles objetivos asociados para evaluar el rendimiento de los sensores de aire de partículas finas (PM2.5) para su uso en aplicaciones de monitoreo suplementario e informativo no regulatorio (U.S. Environmental Protection Agency’s, 2021). 5.3.2. Guía para el desarrollo de una red de monitoreo comunitaria de la calidad del aire. Actualmente California tiene la peor contaminación del aire en el país (Tracking California et al. 2018), por lo cual, desean lograr un cambio ambiental positivo en sus comunidades. El Proyecto de Monitoreo del Aire de la Comunidad del Condado de Imperial, inició en octubre de 2013 para satisfacer la necesidad de más monitores de calidad del aire a nivel comunitario. (Tracking California et al. 2018) El documento “Guidebook for Developing a Community Air Monitoring Network” describe los pasos, las lecciones aprendidas y las recomendaciones del Proyecto. Si bien cada comunidad tiene sus propios intereses de monitoreo, las experiencias y lecciones aprendidas del proporcionan una guía útil para las comunidades interesadas en desarrollar sus propias redes (Tracking California et al. 2018). 5.4. Sensores de bajo costo en Latinoamérica 5.4.1. Análisis de la contaminación en megaciudades mexicanas mediante la utilización de redes de sensores de bajo costo de calidad del aire El proyecto realizado en las megaciudades de México evaluó la calidad y representatividad de las mediciones de 4 sensores de bajo costo fabricados por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), los cuales monitorean SO2, CO, Ox (que se refiere a la suma de O3+NO2), NO2, PM1, PM2.5 y PM10, durante un período de 24 días (24 horas ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 31 continuas por día). Los 4 equipos fueron instalados de manera contigua a la estación de monitoreo del Centro de Ciencias de la Atmósfera de la Red de Monitoreo Atmosférico del Gobierno de la Ciudad de México, ubicada en el sur de la Ciudad de México dentro de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). El proyecto presenta objetivos claros como desarrollar una comprensión más completa de la química atmosférica urbana en megaciudades usando dispositivos de medición atmosférica de bajo costo desarrollados para otras latitudes, recopilando datos que puedan ser aprovechados por gobiernos e investigadores para reducir la contaminación del aire, así como evaluar su estado del arte y desempeño. Adicionalmente, buscando la asimilación tecnológica del know-how de los equipos del MIT, se firmó un convenio con la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del Instituto Politécnico Nacional (ENCB-IPN), con quien desarrollaron un prototipo operacional, el cual tiene habilitados los sensores de temperatura, humedad relativa (DHT11), CO (MQ-7), y un sensor multicontaminante (MQ135). Durante el período de medición, se obtuvierondatos con una variabilidad alta en las mediciones en todos los parámetros medidos por los equipos MIT y una baja integridad de datos causada por la inestabilidad en la electrónica de estos, por lo cual la cantidad de información con la que se pudo contar fue baja para comparar con los datos de la estación. El sensor SN001 fue el que logró registrar la mayor cantidad de datos y la correlación que se obtuvo es relativamente buena comparada con los datos de la estación del CCA, como se muestra en la Figura (a). ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 32 Figura 1. (a) Serie temporal y (b) diagrama de dispersión de resultados del sensor SN001 contra la estación CCA. (a) (b) Nota. Fuente: (2018, Centro Mario Molina). Se establece como conclusión, que los sensores de bajo costo son una alternativa viable que aún está en etapa de investigación y prueba y que conforme se vayan conociendo sus limitaciones de monitoreo en condiciones reales de operación, se podrán mejorar su aplicabilidad y desempeño. El tiempo de vida útil de las celdas y sensores utilizados para la medición de contaminantes atmosféricos en equipos de bajo costo aún es limitado (entre 1 y 2 años), lo cual podría limitar su aplicabilidad. (Centro Mario Molina, 2018) ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 33 5.5. Colombia 5.5.1. Barranquilla 5.5.1.1. Evaluación de las concentraciones internas y externas de material particulado pm2.5 en dos instituciones educativas de la ciudad de Barranquilla, Atlántico. En la evaluación propuesta, midieron las concentraciones de material particulado PM2.5 en dos instituciones educativas (IEA e IEB) dentro de la jurisdicción de la ciudad de Barranquilla, durante un período de 5 meses en simultáneo, en ambientes interiores y exteriores, por medio de sensores de bajo costo PA-II-SD de la empresa Purple Air, en razón de que los sensores de bajo costo resultan funcionales para estudios de material particulado PM2.5 por su tiempo de residencia en la atmósfera relativamente corto. Estos sensores fueron validados y calibrados a partir de mediciones paralelas con el equipo de referencia Teledyne modelo T640X (Baena, 2020). El equipo portátil de bajo costo PA-II-SD Air Quality Sensor de la empresa Purple Air, se basa en un sistema Contador de Partículas Láser Plantower PMS5003, fundamentado en el principio de la detección de partículas que pasan por su reflectividad. Este sensor es considerado ligero y de sencilla utilización, sumado a que su uso es prometedor, debido a su rendimiento satisfactorio en comparación con instrumentos de referencia. (Baena, 2020). 5.5.2. Bogotá 5.5.2.1. Evaluación del desempeño de un sensor de bajo costo para medir la calidad del aire en la Localidad de Fontibón en Bogotá. En Colombia, ciudades como Bogotá y Medellín presentan problemas de contaminación atmosférica debido principalmente al material particulado generado por fuentes móviles y ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 34 que genera enfermedades de tipo respiratorio y cardiovascular (IDEAM, 2016). Los sistemas de vigilancia de calidad del aire a través de equipos automáticos avalados por la Agencia de Protección Ambiental EPA y la Agencia Ambiental Europea, permiten determinar las concentraciones de dichos contaminantes, sin embargo, aún existen en Colombia poblaciones que no cuentan con esta tecnología que demanda altos costos. Todos los municipios cuya población sea mayor a 50.000 habitantes o aquellos en los cuales se evidencie una problemática de contaminación del aire, deben contar con un Sistema de Vigilancia (Resolución 650/2010 del entonces Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial); sin embargo en Colombia hay ciudades como Riohacha (Guajira), Soledad (Atlántico), Cartagena (Bolívar), Sincelejo (Sucre), Apartadó (Antioquia), Barrancabermeja (Santander), Villavicencio (Meta), Buga, Palmira y Tuluá (Valle del Cauca) y Florencia (Caquetá), entre otras, que no cuentan con este monitoreo (IDEAM, 2016). Por lo que recientemente la utilización de sensores de bajo costo ha permitido que la población en general pueda medir la contaminación generada y relacionarlo con los índices de calidad del aire para establecer acciones para el cuidado de su salud. Debido a que estos equipos utilizan diferentes principios para medición es necesario la calibración de estos para encontrar la tendencia en comparación con equipos con procedimientos avalados. En el trabajo de investigación realizada en la localidad de Fontibón en Bogotá, se usó un sensor Temtop M2000C para analizar la calidad del aire por PM2.5 y PM10.Las mediciones obtenidas con este sensor fueron comparadas con los datos de la estación de calidad del aire de Fontibón de la Red de Monitoreo de Calidad del aire de Bogotá -RMCAB-, a través del coeficiente de correlación de Pearson para establecer la relación que existe entre los datos de la concentración de PM2.5 y PM10 del sensor Temtop M2000C y los datos de la estación ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 35 ubicada en el barrio Villemar de la localidad de Fontibón. Los valores obtenidos fueron mayores a 0.798 salvo algunas excepciones para PM2.5 demostrando que existe una correlación positiva alta entre las dos variables anteriormente mencionadas y en todos los casos las concentraciones medidas por el sensor y la estación de referencia son directamente proporcionales. También se obtuvieron coeficientes de Pearson por encima de 0.52 para PM10 lo que indica una correlación positiva moderada como mínimo para este caso. Para los datos mensuales de los contaminantes evaluados, las concentraciones obtenidas con el sensor de bajo costo y la estación de referencia presentan correlaciones positivas muy altas, lo que indica la concordancia de los datos de las dos mediciones. A partir de los resultados obtenidos se puede ver datos de calidad del aire medidos por el sensor evaluado, a pesar de que se encuentran por debajo de las concentraciones medidas en la estación con la que se comparó, tienen una alta correlación y son de utilidad para establecer las tendencias en las variaciones de las concentraciones de material particulado. Por otra parte, también se aplicó un modelo de regresión múltiple a los datos obtenidos en el período de estudio y se hicieron correcciones por efecto de humedad relativa y temperatura. Los resultados obtenidos fueron aceptables y muestran la utilidad de este tipo de equipos para establecer la tendencia de la calidad del aire. 5.5.2.2. Evaluación de microsensores de material particulado para construir la red colaborativa de sensores de bajo costo de Bogotá. Bogotá cuenta con una red de monitoreo de la calidad del aire compuesta por 20 estaciones, con equipos de referencia y protocolos de calibración recurrentes, que aseguran el cumplimiento de los estándares de medición de contaminantes criterio (Escobar et al., 2021). Sin embargo, como parte del Plan Estratégico para la Gestión Integral de la Calidad del Aire en Bogotá 2030, se propuso una red colaborativa de sensores de bajo costo como ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 36 complemento a las mediciones oficiales. Además, dicha red incorporará iniciativas ciudadanas y académicas de medición de PM2.5 mediante sensores de bajo costo en un ejercicio de gobernanza (Escobar et al., 2021). En esta evaluación realizada en Bogotá, se presentan los resultados de la evaluación de desempeño de un grupo de microsensores de material particulado PM2.5, para la que se probaron seis marcas comerciales de sensores (Clarity Node S, Purple Air PA-II SD, Davis AirLink, TSI BlueSky, uRAD monitor Smoogie-PM, Stairmik) y un dispositivo académico local (PrototipoUniversidad Central) triplicados en la estación Las Ferias de la Red de Monitoreo de la Calidad del Aire de Bogotá -RMCAB-, utilizando como referencia el equipo Met One BAM 1029-9800, desde el 01/07/2021 al 18/09/2021, siguiendo las recomendaciones del protocolo de prueba de sensores de la EPA “Performance testing protocols, metrics, and target values for fine particulate matter air sensors” (U.S. Environmental Protection Agency’s, 2021). Se seleccionaron sensores exteriores con protección de fábrica priorizando la variedad de sensores ópticos y protocolos de comunicación, el costo de todos los sensores fue menor a 2000 USD por unidad (Escobar et al., 2021). Los resultados de la evaluación del desempeño mostraron coeficientes de determinación superiores a 0,7 (sensor de bajo costo marca Stairmik) para 19 de los 21 sensores. Sin embargo, el error cuadrático medio (RMSE) se determinó de 4,1 a 10,4 μg/m3, lo que indica la variabilidad entre los sensores y las mediciones de los métodos de referencia. Los resultados corresponden a condiciones específicas en la estación RMCAB Las Ferias, para el período definido, con condiciones meteorológicas, concentración y tipo de partículas no reproducibles, por lo tanto, el desarrollo de pruebas similares en otros lugares puede no ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 37 generar resultados idénticos, haciéndose importante aplicar ecuaciones de ajuste para minimizar el error utilizando herramientas de ciencia de datos e IoT. El uso de herramientas avanzadas de IoT para proyectos de ciencia ciudadana podría representar un desafío con una limitación potencial en el alcance de los sensores de bajo costo, sin embargo, el desarrollo de protocolos de validación de datos y calibración de microsensores facilita el uso de esta tecnología y su uso como complemento a las redes oficiales para identificar eventos específicos de contaminación y generar mediciones indicativas de la calidad del aire en ambientes específicos, realizar proyectos de educación ambiental, y apropiación social (Escobar et al., 2021). 5.5.2.3. Propuesta de bajo costo para el monitoreo de material particulado PM2.5 y PM10 en tiempo real en la Universidad el Bosque, Bogotá. Dado el problema de salud pública en la ciudad de Bogotá, a causa de la contaminación del aire por material particulado y el limitante en la difusión de la información de datos, en la Universidad del Bosque propusieron un sistema de monitoreo de material particulado PM2.5 y PM10 con un sensor de bajo costo Honeywell HPMA 115S0 que permite medir las concentraciones de estos contaminantes, y a partir de una Raspberry pi 3b se interpretan las señales obtenidas para luego poderlas procesar y difundir la información de forma comprensible. Sumado a lo anterior, establecieron los componentes electrónicos para su correcto funcionamiento, cuyo costo total para el ensamblaje del sistema de monitoreo es de $530,000COP, por esta razón el precio de adquisición es bajo, la precisión en la toma de datos es alta y el sistema es seguro y resistente a la variabilidad climática (Maldonado & Rojas, 2019). ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 38 5.5.2.4. Calibración y validación de dos equipos de bajo costo para la medición de material particulado a partir de los modelos de regresión lineal simple y múltiple. Debido a que algunas poblaciones colombianas no cuentan con tecnología de medición que les permita conocer el estado actual del recurso aire o incluso la cantidad de estaciones es muy baja, en relación con el número de habitantes, los sensores de bajo costo surgen como complemento a las redes de monitoreo existentes, A raíz de ello, en la Universidad el Bosque identificaron metodologías estadísticas para validar las mediciones de estos equipos, en donde se encontró que la regresión lineal y el ajuste de las regresiones mejora adicionando las variables meteorológicas como humedad relativa y temperatura ambiente y a su vez recomiendan utilizar modelos no lineales para obtener mejores resultados (Gamba, 2022). 5.5.2.5. Evaluación del desempeño de sensores de bajo costo como complemento para el monitoreo de la calidad del aire de Bogotá y como herramienta para la determinación del grado de exposición de una población caso de estudio. En las grandes ciudades alrededor del mundo, se han implementado redes de monitoreo con el fin de determinar la calidad del aire. Estas redes de monitoreo permiten tener un panorama general del estado actual del recurso aire. Sin embargo, en muchas ocasiones estas redes son incapaces de caracterizar adecuadamente la exposición de los ciudadanos, debido a su baja resolución espacio temporal y al alto número de datos faltantes (Castell, 2017). Los sensores de bajo costo han venido tomando protagonismo como un complemento a las redes de monitoreo existentes, con el fin de aumentar la resolución espacio temporal y proporcionar información en tiempo real del nivel de exposición de los ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 39 ciudadanos. El reto con estos sensores de bajo costo es generar los datos suficientemente confiables para ser considerados en la toma de decisiones de política pública. En el proyecto, se evaluaron tres sensores de bajo costo marca Clarity, dichos sensores se ubicaron en tres estaciones de referencia de la red de monitoreo de Bogotá (Usaquén, Ferias y Kennedy). Se evaluaron las mediciones de cuatro meses de los sensores y los equipos de referencia tanto para PM10 como para PM2.5 con resolución temporal diaria y horaria y se evaluaron aspectos como linealidad de respuesta, dependencia de la humedad relativa y la temperatura y mejora de la exactitud del sensor a través de su calibración, con un modelo de regresión lineal múltiple. Para buscar el mejor desempeño del sensor se tomaron dos escenarios los cuales fueron: 1. Calibración con datos de dos meses (27/11/2019 a 26/11/2019) y aplicación de la ecuación de calibración a los dos meses siguientes (27/01/2019 a 23/03/2019). Para este período los valores de R2 antes y después de calibración fueron muy bajos, tanto para la resolución horaria (Tabla 1) como para la resolución diaria (Tabla 2). Tabla 1.Valores de R2 antes y después de calibración con datos de dos meses para resolución horaria. BARRIO PM2.5 PM10 Kennedy 0.23 a 0.32 0.18 a 0.27 Ferias 0.41 a 0.44 0.45 a 0.50 Usaquén 0.40 a 0.44 0.26 a 0.38 Nota. Adaptado Roncancio Valbuena, L. (2019). Tabla 2. Valores de R2 antes y después de calibración con datos de dos meses para resolución diaria. BARRIO PM2.5 PM10 Kennedy 0.63 a 0.69 0.62 a 0.64 Ferias 0.48 a 0.52 0.64 a 0.48 Usaquén 0.76 a 0.77 0.59 a 0.58 Nota. Adaptado Roncancio Valbuena, L. (2019). ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 40 2. Calibración con datos de cuatro meses (26/11/2018 al 23/03/2019) y aplicación de la ecuación de calibración al mismo período. Para este periodo los resultados mejoraron significativamente, en resolución horaria (Tabla 3) y en resolución diaria (Tabla 4). Tabla 3. Valores de R2 antes y después de calibración con datos de cuatro meses para resolución horaria. BARRIO PM2.5 PM10 Kennedy 0.33 a 0.41 0.32 a 0.39 Ferias 0.54 a 0.57 0.43 a 0.48 Usaquén 0.55 a 0.59 0.38 a 0.48 Nota. Adaptado Roncancio Valbuena, L. (2019). Tabla 4. Valores de R2 antes y después de calibración con datos de cuatro meses para resolución diaria. BARRIO PM2.5 PM10 Kennedy 0.66 a 0.71 0.67 a 0.69 Ferias 0.73 a 0.66 0.72 a 0.74 Usaquén 0.89 a 0.90 0.75 a 0.76 Nota. Adaptado Roncancio Valbuena, L. (2019). Los sensores utilizados en la evaluación fueron ubicados en tres puntos a nivel de barrio en la localidad de Kennedy (2 colegios y 1 conjunto residencial),empleando para las mediciones de cada uno de ellos, la calibración previamente obtenida y el Índice de Calidad del Aire de la zona. Los resultados obtenidos en el proyecto muestran que las correlaciones son inferiores a las encontradas en comparaciones similares publicadas. Lo que confirma que, aunque los sensores de bajo costo son una buena herramienta para hacer evaluaciones indicativas de la calidad del aire, no generan resultados de gran exactitud. Los sensores pueden ser una buena alternativa para complementar las mediciones de las redes de monitoreo con mayor ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 41 resolución espacial y para identificar rápidamente posibles eventos de alta contaminación local no detectables por la red de referencia. De las mediciones se ha podido concluir que, aunque los sensores brindan estimaciones relativamente razonables, es preciso efectuar una calibración en campo en condiciones ambientales representativas, con el fin de mejorar la precisión de las mediciones de los equipos, para lo cual el modelo de regresión lineal múltiple fue efectivo en la mayoría de los casos. Considerando el bajo costo de los equipos, los resultados de evaluación del desempeño en general permiten concluir que los sensores Clarity tienen un potencial significativo para complementar la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá, no obstante, es necesario realizar diversas pruebas de monitoreo para mejorar los resultados de coeficiente de determinación (Roncancio & Rojas, 2019). 5.5.3. Bucaramanga 5.5.3.1. Desarrollo de un muestreador atmosférico de bajo costo y de carácter didáctico. En la Universidad Pontificia Bolivariana de Bucaramanga, con el fin de fortalecer sus procesos académicos para los estudiantes de Ingeniería Ambiental, desarrollaron un equipo basado en tecnologías de bajo costo, capaz de medir concentraciones de contaminantes de criterio (CO, O3, PM10, PM2.5, SO2 y NO2) y algunas variables meteorológicas (temperatura, humedad, radiación y presión barométrica), así como un software, con la capacidad de recolectar datos, generar índices de calidad del aire (Instant AQI) y presentarlos en una plataforma web, como apoyo metodológico. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 42 El sensor de bajo costo se puso a prueba, comparándose con los datos de las estaciones Floridablanca (UPB) y Acrópolis (CDMB), para luego, poderlo calibrar, mostrando confiabilidad para la implementación tanto en el aula de clases como para usarlo en la medición de los contaminantes evaluados a excepción del contaminante PM1O. (Gutiérrez, 2017) 5.5.4. Cali 5.5.4.1. Nuevos métodos de monitoreo de material particulado para el estudio de la calidad del aire. Este estudio presenta una nueva metodología para monitorear concentraciones de material particulado PM10 y PM2.5. usando sensores de bajo costo marca Shinyei, los cuales cuentan con una técnica láser de alta precisión, y estos fueron intercalibrados con los equipos BAM y TOM en las estaciones DAGMA y CVC. Simultáneamente, se realizan mediciones de variables de estado macroscópicas asociadas al clima, luego se modelan y simulan, la dispersión y difusión de MP en el aire del municipio de Vijes, Valle del Cauca, Colombia. Para asegurar la confiabilidad en la medición de las concentraciones de MP, se realizó la intercalibración correspondiente con equipos de referencia. Simultáneamente, se realizaron las mediciones de temperatura y presión, luego se realizó un modelo y se simuló la dispersión y difusión de MP en el aire del municipio de estudio. Los resultados de la intercalibración mostraron que los sensores ópticos son confiables para monitorear el material particulado, son económicos y fáciles de transportar, por lo que son útiles para estudiar la calidad del aire en cualquier región. (Contreras et al., 2019). 5.5.4.2. Monitoreo de la calidad del aire en el sur de la ciudad de Cali empleando un sensor de bajo costo. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 43 En el estudio se planteó la implementación del sensor de bajo costo para el monitoreo de material particulado, realizando una intercalibración entre una estación de monitoreo del DAGMA y un sensor AirBeam. Los datos obtenidos de material particulado (PM2.5 y PM10) mostraron las variaciones típicas de una zona con influencia de fuentes móviles, evidenciando aumentos en las concentraciones en las horas pico de flujo vehicular. Por su parte, la intercalibración mostró la existencia de una correlación alta entre los datos de la estación convencional y el sensor de bajo costo en el cual se obtuvo un 𝑅2 con un valor de 0.98. Con todo lo anterior se concluye que los sensores de bajo costo presentan datos confiables por lo cual se pueden utilizar como una buena alternativa para el desarrollo de valoraciones de calidad del aire con reporte en tiempo real para la población expuesta. 5.5.5. Cartagena 5.5.5.1. Una propuesta para un sistema de monitoreo de la calidad del aire por Cartagena de indias Este artículo está basado en el sistema de Monitoreo de la Calidad del Aire para la ciudad de Cartagena de Indias. El objetivo del sistema está basado en dar seguimiento de la calidad del aire que respiran los cartageneros. Desde el año 2014 se viene haciendo un seguimiento a la calidad del aire en Cartagena, sin embargo, no existe una investigación detallada debido a que la información de estaciones de monitoreo que se tiene es insuficiente para establecer un diagnóstico claro. Por su parte, en el año 2015 el sistema de monitoreo de la calidad del aire proporcionó una cantidad de datos suficientes para establecer que en ese año relativamente la calidad del aire para PM10 fue principalmente buena con eventos aislados donde se presentó una calidad del aire moderada, y para PM2.5 se reportó una calidad del aire moderada y a veces no tan buena ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 44 para algunas zonas de la ciudad. Para el año 2016 en un informe realizado por el sistema inteligente de medio ambiente, se estableció que la mayor concentración de contaminantes se encuentra en los sectores de alto tránsito vehicular como lo son el peaje de Ceballos y la Bomba del Amparo. Ahora bien, según el informe de calidad de vida de Cartagena 2017 “Cartagena cómo vamos”, no se ha hecho posible revisar el estado actual que se tiene en Cartagena con respecto al medio ambiente dado que no existen mediciones que estén actualizadas tanto del aire como del ruido. En consecuencia, a lo anterior, un equipo de investigación interdisciplinario se reunió con el fin de diseñar un plan que permita obtener los datos a través de una red de sensores de bajo costo, así como elaborar un documento que detalle por sección la información presentada, esto con el fin de que la información se pueda buscar y cualquier persona que esté interesada pueda acceder a esta desde una aplicación en su dispositivo móvil. Esto con el objetivo de diseñar planes para la prevención y mejora de la calidad del aire en la ciudad. Como sistema de información se utilizó AquApp, que es una red colaborativa de sensores que recopila información sobre la calidad de los cuerpos de agua de la ciudad de Cartagena. AquApp monitorea los cuerpos de agua que rodean la ciudad y establece el estado actual del agua. El sistema determina el grado de contaminación, niveles de agua y condiciones ambientales de la fauna y flora marina a través de una red de sensores. Al mismo tiempo, esta red de sensores puede ayudar a detectar contaminantes como el petróleo, lo que puede ayudar a tomar medidas rápidamente, reduciendo el daño a los ecosistemas. Se necesitan algunas adaptaciones para conectar la nueva red de sensores de calidad del airea AquApp y hacer que el sistema de monitoreo esté listo para monitorear la calidad del aire. La idea ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 45 general es recopilar datos de una red de sensores y mostrar los diferentes índices de calidad aire utilizando una escala de colores (basada en el Índice Mundial de Calidad del Aire), siguiendo los estándares bueno, moderado, insalubre para grupos sensibles, insalubre, muy insalubre, peligroso. Siguiendo la idea original, los datos recopilados seguirán disponibles para científicos e instituciones para su posterior análisis. La información puede ser adquirida a través de un sitio web, lo que permite acceso desde cualquier parte del mundo a cualquier persona que pueda estar interesada. Permite a los centros de investigación, instituciones educativas y gobierno diseñar planes de prevención y mejoramiento de los cuerpos de agua aledaños a la ciudad, y brindar información actualizada. Para la calidad del aire, se agregarán nuevos sensores en toda la ciudad para cubrir todos los sectores. La integración sería segura y más rápida. Esto es posible gracias a RESTful API, que fue diseñada para crear e integrar nuevas utilidades y permitir un uso más amplio de los datos y poder desplegar estos cambios en cualquier aplicación o dispositivo que consuma esta información. 5.5.6. Medellín 5.5.6.1. Monitoreo de la calidad del aire a partir de sensores de bajo costo, experiencia desde las estrategias de Ciudadanos Científicos en Medellín Ciudadanos Científicos es una estrategia local de ciencia, tecnología y educación del Área Metropolitana del Valle de Aburrá operada por el Sistema de Alerta Temprana de Medellín y el Valle de Aburrá -SIATA-. Este programa permite a la ciudadanía monitorear la calidad del aire y algunas variables meteorológicas en el territorio. La red de Ciudadanos Científicos surgió en el año 2015, en su primera versión con una convocatoria para 100 ciudadanos distribuidos a lo largo de todo el Valle de Aburrá. Para la segunda versión la red se fortaleció con la inclusión de 150 ciudadanos científicos en el año 2017, alcanzando un total de 250 ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 46 sensores instalados en los 10 municipios que conforman la región. En la tercera versión se instalaron 50 sensores más y se incluyeron sensores de bajo costo para la medición de ruido ambiental. (AMVA, 2021). Los sensores de bajo costo del SIATA son denominados nubes debido a su forma y son los sensores: Shinyei PPD42NS, NOVA SDS011 y Bjhike HK-A5. (Hoyos, Herrera-Mejía, Roldán-Henao & Isaza, 2019). Cada nube se conforma por dos sensores, que operan mediante la dispersión de la luz para estimar la concentración de material particulado menor a 2.5 micras en la atmósfera. Dichos sensores no miden directamente la concentración, sino que hacen una estimación y son dos para tener una robustez en las mediciones, y otro sensor marca Davis que mide humedad relativa y temperatura, logrando enriquecer el entendimiento de la calidad del aire bajo diferentes condiciones meteorológicas, conociendo así el comportamiento del material particulado en diferentes escenarios. Posteriormente los datos son recopilados por unas tarjetas denominadas SIATA y enviados a la computadora de la nube, de ahí se envían a la base de datos del SIATA, para ser procesados y revisar su calidad. (AMVA, 2021). Estos sensores tienen una mayor densidad espacial y temporal, con una resolución temporal de 1 minuto. Dado que las nubes no miden directamente la concentración, es necesario hacer un proceso de ajuste inicial denominado calibración. Para esto se debe tener una medición paralela del sensor y una estación acreditada durante un período mínimo de 3 semanas, seguido a esto, se procede analizar remotamente los datos recopilados y compararlos, evaluando el desempeño general de los sensores mediante correlación de Pearson, la raíz del error cuadrático medio y el error absoluto. En general se indica que los sensores representan satisfactoriamente la variabilidad temporal y la magnitud de las concentraciones de PM2.5, y aunque los datos son ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 47 más bajos presentan el comportamiento de los datos reales, por lo cual se pueden llevar los datos de la nube a los datos reales mediante un proceso estadístico (Hoyos et al, 2019), como también lo mencionan Buelvas et al., en la Estimación de la Calidad de los Datos en el Aire de una Ciudad Inteligente Aplicación IoT (internet de las cosas) de monitoreo de calidad. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 48 6. Descripción de estaciones de monitoreo de los sistemas de vigilancia de calidad del aire (SVCA) usados en las comparaciones con los sensores de bajo costo. En la Tabla 5 se reportan las estaciones seleccionadas para comparar con los sensores de bajo costo, se muestran los nombres de las diferentes estaciones de monitoreo, se muestran las categorías consideradas de acuerdo con la zona de ubicación y las fuentes de emisión predominantes, dicha clasificación se basa en el Manual de Diseño de Sistemas de Vigilancia de Calidad del Aire del Protocolo para el Monitoreo y Seguimiento de Calidad del Aire (Ministerio de Ambiente, 2010). Por su parte, la cobertura espacial de las estaciones de monitoreo consideradas para el análisis, abarcaron 2 departamentos y 5 municipios , de acuerdo con la información obtenida en Purple Air (https://map.purpleair.com/) y suministrada por SIATA para los sensores de bajo costo que tuvieran cercanía a las estaciones de monitoreo de los Sistemas de Vigilancia de Calidad del Aire y tenían series de tiempo comunes, dado que para las otros sistemas de vigilancia de calidad del aire operados por las Autoridades Ambientales, no se recibió respuesta a las solicitudes de información realizadas o no han implementado sensores de bajo costo. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 49 Tabla 5. Identificación de estaciones de calidad del aire, ubicación y clasificación. UBICACIÓN ESTACIÓN SIGLA TIPO DE ESTACIÓN (Área - Emisiones Predominantes) Dirección Caldas (Antioquia) Escuela Joaquín Aristizábal CAL-JOAR Urbana de Fondo Carrera 51 # 127 sur - 41 Barbosa (Antioquia) Barbosa Torre Social BAR-TORR Urbana de Fondo Calle 15 # 13 - 80 Medellín (Antioquia) Estación Tráfico Centro CEN-TRAF Urbana de Tráfico Carrera 53 # 52 - 51 Estación Tráfico Sur SUR-TRAF Urbana de Tráfico Calle 77 sur # 49 Itagüí (Antioquia) Casa de Justicia de Itagüí ITA-CJU Urbana Industrial Carrera 52 # 74 - 67 Bogotá D.C. Las Ferias LFR Urbana de Tráfico Avenida Calle 80 # 69Q-50 ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 50 Figura 2. Ubicación de las estaciones de calidad del aire y de los sensores de bajo costo utilizados en el desarrollo de este trabajo. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 51 7. Análisis de correlación entre las concentraciones de material particulado por los sensores de bajo costo y las estaciones de monitoreo de los sistemas de vigilancia de calidad del aire (SVCA). En Colombia, ciudades como Bogotá y Medellín presentan problemas de contaminación atmosférica principalmente por material particulado, específicamente material particulado menor a 2.5 micras (PM2.5), considerado contaminante crítico por registrar la mayor cantidad de excedencias a la norma y en ocasiones alcanzar categorías del ICA Dañino para la salud, esto genera un mayor impacto en la salud de la población, sumado a que sus fuentes de emisión son de origen antropogénico especialmente por procesos de combustión, por esto, el desarrollo de sensores de bajo costo para medir la calidaddel aire se ha dado principalmente para este parámetro. 7.1. Material particulado menor a 10 micras (PM10) De acuerdo con la revisión sobre el uso de sensores de bajo costo realizada en los capítulos anteriores, el desarrollo de sensores de bajo costo para la medición del parámetro PM10 en Colombia ha sido limitado. En la actualidad no se cuentan con estudios ni datos que cuantifiquen el material particulado PM10 a partir de sensores de bajo costo, por lo que se hace importante desarrollar la medición de PM10, principalmente en actividades extractivas debido a la constante presencia de emisiones atmosféricas de material particulado y en poblaciones que se encuentran expuestas al material particulado por la resuspensión de polvo de calles sin pavimentar. Durante el desarrollo de este trabajo solamente se recibió información de datos de este contaminante de parte del Sistema de Alerta Temprana de Medellín y el Valle de Aburrá. Teniendo en cuenta que, de acuerdo con los informes de calidad del aire entregados por el ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 52 Área Metropolitana del Valle de Aburrá, la estación Tráfico Sur, ubicada en el municipio de Sabaneta al sur del Valle de Aburrá es una de las estaciones con mayores concentraciones tanto de PM10 como de PM2.5, el análisis comparativo de las concentraciones de PM10 obtenidas a partir de las nubes de la Red de Ciudadanos Científicos y un equipo oficial, se realiza solamente para esta estación. En este punto de medición se hace seguimiento además de las concentraciones de PM10 y PM2.5, de los niveles de NOx. Cabe resaltar que esta estación tiene una alta influencia de emisiones vehiculares tal como se reportó en la Tabla 5. La Figura 3 muestra los diagramas de dispersión, construidos para las series de datos del año 2020, de las nubes de la red de Ciudadanos Científicos cercanas a la estación Tráfico Sur. Según los resultados si bien las series de datos de las nubes consideradas se comportan linealmente cuando se comparan con los datos de la estación SUR-TRAF, en términos generales, los sensores de bajo costo reportaron niveles de PM10 inferiores a los obtenidos con el equipo BAM 1020 que opera en la estación Tráfico Sur, esto es posible evidenciarlo a partir de la distribución de los datos respecto a la línea de ajuste teórico, aquella en la que idealmente las concentraciones de las nubes y del equipo oficial serían iguales. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 53 Figura 3. Diagramas de dispersión de los datos de PM10 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Tráfico Sur. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM10 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. La variación de las concentraciones promedio diarias de PM10 para la estación SUR-TRAF y las nubes cercanas se muestra en la Figura 4. En esta Figura es posible observar que tanto las nubes como el equipo considerado oficial muestran un comportamiento anual similar. Cabe resaltar que el aumento en las concentraciones de PM10 durante los meses de febrero y marzo de 2020 se evidenció en todos los puntos de medición. Por otra parte, las diferencias entre las series de datos de las nubes y de la estación pueden obedecer por una parte a dinámicas de la escala local de cada uno de los sensores de bajo costo, así como a las fuentes de emisión que afectan tanto a las nubes como a la estación oficial. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 54 Figura 4.. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM10 obtenidas con el equipo oficial de la estación Tráfico Sur y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Tráfico Sur. En la Figura 5 se pueden observar los histogramas marginales construidos para cada una de las nubes consideradas en el análisis y los datos de PM10 de la estación Tráfico Sur. Del total de 24 nubes consideradas en el análisis, 15 presentaron concentraciones promedio superiores al promedio ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 55 anual obtenido para el 2020 en la estación Tráfico Sur (44.8 μg/m3). La nube 149 fue la nube con mayor promedio respecto al de la estación SUR-TRAF. Figura 5. Histogramas marginales para las concentraciones de PM10 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Tráfico Sur de la Red de Calidad del Aire del Valle de Aburrá. . El coeficiente de correlación es una medida estadística que permite cuantificar el grado de linealidad en el comportamiento de dos variables de interés. En este sentido, la Figura 6 muestra la variación espacial de los coeficientes de correlación calculados entre las series de PM10 de las diferentes nubes de la Red de Ciudadanos Científicos de SIATA y la estación Tráfico Sur. De acuerdo con los resultados, los coeficientes de correlación son más altos para las nubes más cercanas a la estación oficial. Por otra parte, salvo una estación ubicada en la zona urbana del municipio de Envigado, para el resto de los sensores, los coeficientes de correlación variaron entre 0.2 y 0.4. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 56 Figura 6. Variación espacial de los coeficientes de correlación entre las series de PM10 de las nubes de Ciudadanos Científicos y la serie de este contaminante en la estación Tráfico Sur. Para el cálculo de los coeficientes de correlación se utilizaron los registros del año 2020. 7.2. Material particulado menor a 2.5 micras (PM2.5) Para el análisis comparativo de las concentraciones de PM2.5 obtenida a partir de la red de sensores de bajo costo y las estaciones consideradas oficiales, para el caso de la Red de Calidad del Aire del Valle de Aburrá, se seleccionaron las estaciones ubicadas en los municipios de Barbosa (estación BAR-TORR), Caldas (estación CAL-JOAR), Itagüí (estación ITA-CJUS) así como las estaciones de Tráfico ubicadas en el centro de Medellín (estación CEN-TRAF) y al sur del Valle de Aburrá (estación Tráfico Sur). La selección de estos sitios se dio teniendo en cuenta las fuentes de emisión y la representatividad de las ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 57 estaciones antes mencionadas. Las Figuras 7 a 11 muestran los diagramas de dispersión construidos considerando la información del año 2020, para las estaciones BAR-TORR, CAL-JOAR, ITA-CJUS, CEN-TRAF y SUR-TRAF. Por otra parte, la Figura 12 muestra este mismo diagrama construido para la estación Ferias, ubicada en la localidad de Engativá en jurisdicción de Secretaria Distrital de Ambiente, y el sensor de bajo costo de la red PurpleAir. Cabe agregar que, si bien para el desarrollo de este análisis se recibió información de otros sensores, se descartaron por completo del análisis, dado que, los registros de los sensores de bajo costo no contaban con datos pareados. Las siguientes gráficas, muestran la dispersión de la correlación entre los sensores de bajo costo y las estaciones oficiales durante el año 2020 y 2021, para el caso de Purple Air, evidenciando una covariación de X y Y directa, dado que la correlación es positiva y los puntos ocupan los cuadrantes I y III, así mismo, se presenta una línea punteada que representa X = Y, es decir, el caso en que el sensor de bajo costo y la estación oficial registraran la misma concentración del contaminante. En términos generales, se observa el comportamiento lineal de los datos de los sensores de bajo costo respecto a la estación oficial. Se resalta por otra parte que al igual que en el caso del PM10, los datos de los sensores de bajocosto fueron menores a los de los equipos oficiales. Por otra parte, en el caso del Valle de Aburrá, los mejores ajustes se obtuvieron para los municipios de Barbosa y Caldas. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 58 Figura 7. Diagrama de dispersión de las concentraciones de PM2.5 obtenidas a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la Estación Escuela Joaquín Aristizábal. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM10 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. Figura 8. Diagramas de dispersión de los datos de PM 2.5 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Barbosa torre social. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM 2.5 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 59 Figura 9. Diagramas de dispersión de los datos de PM 2.5 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Trafico centro. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM 2.5 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 60 Figura 10. Diagramas de dispersión de los datos de PM 2.5 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Trafico sur. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM 2.5 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 61 Figura 11. Diagramas de dispersión de los datos de PM 2.5 obtenidos a partir de los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Casa de Justicia de Itagüí. La línea punteada corresponde a la línea con pendiente 1, y hace relación al caso en el que las concentraciones de PM 2.5 registradas por las nubes y la estación oficial son iguales. Figura 12. Diagrama de dispersión de la correlación entre los sensores de bajo costo (Purple Air) y la Estación Ferias. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 62 Ahora bien, para las concentraciones medidas por los sensores de bajo costo y las estaciones de referencia, se observa que el comportamiento de los sensores de bajo costo y las estaciones oficiales siguen una misma tendencia (Figuras 13 a 18), cuando la concentración aumenta o disminuye en la estación, en el sensor de bajo costo también lo hace, con algunas excepciones, y en general se presenta un comportamiento muy parecido al obtenido para el PM10, precisando que para el año 2020, el ciclo anual del Valle de Aburrá, presenta un comportamiento unimodal en todas las estaciones, teniendo picos en los meses de Enero a Marzo. Figura 13. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Tráfico Sur y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Tráfico Sur. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 63 Figura 14. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Joaquín Aristizábal. y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Joaquín Aristizábal. Figura 15. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Trafico centro. y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Trafico centro. Figura 16. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Casa de Justicia de Itagüí. y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Casa de Justicia de Itagüí. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 64 Figura 17.. Variación para el año 2020 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Barbosa Torre Social y con las nubes del programa de Ciudadanos Científicos del SIATA cercanas a la estación Barbosa Torre Social. Figura 18. Variación para el año 2021 de las concentraciones de PM 2.5 obtenidas con el equipo oficial de la estación Ferias y con la nube del programa de Purple air cercana a la estación Ferias. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 65 En la Figura 19 se presentan los histogramas marginales de las concentraciones de PM2.5 por nube con respecto a la Estación Escuela Joaquín Aristizábal, en el municipio de Caldas. Según los resultados mostrados, las mayores concentraciones se obtienen para los sensores de bajo costo (Nube). Dependiendo de la nube, la media del contaminante PM2.5 oscila entre 20 y 30 µg/m3, por su parte 20 µg/m3 es la media para la estación oficial. Es importante mencionar que los valores más cercanos se obtienen en las nubes 16, 116 y 241. Figura 19. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Escuela Joaquín Aristizábal. La Figura 20 presenta los histogramas marginales de las concentraciones de PM2.5 por nube con respecto a la Estación Barbosa Torre Social, donde, las mayores concentraciones se obtienen para los sensores de bajo costo (Nubes). Según la nube, la media del contaminante ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 66 PM2.5 oscila entre 20 y 30 µg/m3 a excepción de la nube 234 que la media está entre 15 y 20 µg/m3, por su parte la media para la estación oficial es de 15 µg/m3 es. Es importante mencionar que los valores más cercanos se obtienen en las nubes 234, 62 y 47. Figura 20. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Barbosa Torre Social. En la Figura 21 se presentan los histogramas marginales de las concentraciones de PM2.5 por nube con respecto a la Estación Tráfico Centro., en el que, las mayores concentraciones se obtienen para los sensores de bajo costo (Nubes) a excepción de la nube 63 y nube 182. Dependiendo de la nube, la media del contaminante PM2.5 oscila entre 20 y 40 µg/m3, por su parte 25 µg/m3 es la media para la estación oficial. Es importante mencionar que los valores más cercanos se obtienen en las nubes 160, 63 y 182. Figura 21. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Tráfico Centro. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 67 La Figura 22 presenta los histogramas marginales de las concentraciones de PM2.5 por nube con respecto la Estación Tráfico Sur, donde, las mayores concentraciones se obtienen para la estación oficial, a excepción en la nube 71, 149 y 35, que registran datos mayores a los de la estación oficial. Según la nube, la media del contaminante PM2.5 oscila entre 15 y 35 µg/m3, por su parte la media para la estación oficial es de 28 µg/m3 es. Es importante mencionar que los valores más cercanos se obtienen en las nubes 59,69, 172 y 167. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 68 Figura 22. Histogramas marginales paralas concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Tráfico Sur. En la Figura 23 se presentan los histogramas marginales de las concentraciones de PM2.5 por nube con respecto a la Estación Casa de Justicia de Itagüí, en el que, las mayores concentraciones se obtienen para los sensores de bajo costo (Nubes). Dependiendo de la nube, la media del contaminante PM2.5 oscila entre 20 y 30 µg/m3, por su parte 22 µg/m3 es la media para la estación oficial. Es importante mencionar que los valores más cercanos de concentración se obtienen en la nube 228. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 69 Figura 23. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir de la Red de Ciudadanos Científicos del proyecto SIATA y la estación Casa de Justicia de Itagüí. Finalmente se presenta la Figura 24 con el histograma marginal de las concentraciones de PM2.5 por nube con respecto a la Estación Ferias, donde, las mayores concentraciones se obtienen para el sensor de bajo costo de Purple Air denominado Las Ferias. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 70 Figura 24. Histogramas marginales para las concentraciones de PM 2.5 obtenidas a partir Purple Air y la Estación Ferias La variación espacial para el año 2020 de los coeficientes de correlación calculados para las diferentes nubes de Ciudadanos Científicos y los equipos oficiales considerados en este análisis, se muestra en la Figura 25. Estos valores no representan el porcentaje de confiabilidad del sensor de bajo costo (Nube) frente a los datos reales de la red, si no la asociación en que dicho porcentaje de confiabilidad se encuentra relacionado con los datos monitoreados dentro del área metropolitana del Valle de Aburrá. En las cinco estaciones oficiales se alcanzó una correlación mayor a 0.65 para las nubes más cercanas, lo que indica una correlación fuerte. Se resalta que en algunas estaciones se alcanzaron coeficientes de correlación superiores a 0.5 para nubes lejanas a la estación. Esto puede estar relacionado con las condiciones de emisión propias del Valle de Aburrá, así como con los procesos de transporte horizontal que se dan en la atmósfera de la región según los flujos de masas de aire típicos. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 71 Figura 25. Variación espacial de los coeficientes de correlación entre las series de PM25 de las nubes de Ciudadanos Científicos y la serie de este contaminante en las estaciones CAL-JOAR, BAR-TORR, CEN-TRAF, SUR-TRAF e ITA-CJUS del AVMA. Para el cálculo de los coeficientes de correlación se utilizaron los registros del año 2020. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 72 Figura 25. Continuación . 8. Porcentaje de acierto respecto al índice de calidad del aire (ICA) categorizado por los sensores de bajo costo y las estaciones de monitoreo de los sistemas de vigilancia de calidad del aire (SVCA) para el pm2.5 El informe Anual de Calidad del Aire 2020 para el Valle de Aburrá, puntualizó que la gran mayoría de estaciones presentaron valores de ICA equivalentes a la clasificación aceptable o moderada (amarillo), seguido por ICA bueno (verde). Sólo en los meses de febrero y marzo, las estaciones permanecieron por más tiempo en la categoría de ICA Dañina a la Salud de Grupos Sensibles (Naranja) y únicamente durante el mes de marzo se alcanzó calidad del aire Dañina para la Salud (rojo). ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 73 Debido a que con los sensores de bajo costo se puede informar a la comunidad sobre el estado de la calidad del aire y advertir sobre posibles riesgos a la salud ante la exposición a una atmósfera contaminada, se calculó el porcentaje de acierto buscando para cada categoría del ICA, los días en los que tanto el sensor de bajo costo como la estación oficial reportan en la misma categoría. La Figura 26 presenta los porcentajes de acierto de los sensores de bajo costo respecto a la estación Escuela Joaquín Aristizábal. La nube 241 evidencia el mayor porcentaje de acierto, con un porcentaje mayor al 70% para las categorías de ICA, moderada, dañina a la salud de grupos sensibles y dañina para la salud. Por su parte, la nube 30 presentó mayor número de fallas con valores inferiores al 40% para la categoría buena, moderada y dañina a grupos sensibles ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 74 Figura 26. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Escuela Joaquín Aristizábal. La Figura 27 presenta los porcentajes de acierto de los sensores de bajo costo respecto a la Estación Barbosa Torre Social. La nube 47 evidencia el mayor porcentaje de acierto, con un porcentaje mayor al 40% para las categorías de ICA, buena, moderada y dañina para la salud. Por su parte, la nube 48 presentó mayor número fallas. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 75 Figura 27. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Barbosa Torre Social. En la Figura 28 se presentan los porcentajes de acierto de los sensores de bajo costo respecto a la Estación Barbosa Tráfico Centro. La nube 182 evidencia el mayor porcentaje de acierto, con un porcentaje mayor al 40% para las categorías de ICA, moderada, dañina a grupos sensibles y dañina para la salud. Por su parte, las otras nubes presentan mayor número fallas, con porcentajes de acierto menores al 40%. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 76 Figura 28. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Tráfico Centro. En la Figura 29, muestra los porcentajes de acierto de los sensores de bajo costo respecto a la Estación Barbosa Tráfico Sur. La nube 79 presenta el mayor porcentaje de acierto, con un porcentaje mayor al 40% para las categorías de ICA, moderada, dañina a grupos sensibles y dañina para la salud. Por su parte, la nube 197 enseña el mayor número de fallas, dado que los porcentajes de acierto son menores al 40% para las cuatro categorías. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 77 Figura 29. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Tráfico Sur. La Figura 30 presenta los porcentajes de acierto de los sensores de bajo costo respecto a la Estación Casa de Justicia de Itagüí. La nube 157 evidencia el mayor porcentaje de acierto, con un porcentaje mayor al 60% para las categorías de ICA, moderada, dañina a la salud de grupos sensibles y dañina para la salud. Sin embargo, la nube 123 presentó el mayor número de fallas con valores inferiores al 20% para la categoría buena, moderada y dañina a grupos sensibles. Por su parte en la nube 216 solo marco en categoría moderada, esta nube pudo ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 78 marcar ICA bueno, dañino a grupos sensibles y dañino a la salud, en momentos que la estación oficial, nunca lo marcó. Figura 30. Porcentaje de aciertos en las distintas clasificaciones del ICA para el PM2.5 entre los sensores de bajo costo (Nubes) y la estación Escuela Joaquín Aristizábal. Finalmente, en todas las nubes se evidencia para la categoría de Ica Buena,bajos porcentajes de aciertos respecto a las demás categorías de calidad del aire ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 79 9. Comparación de normas, protocolos y cajas de herramientas de las agencias EPA y EEA con las existentes en Colombia La Tabla 6 incorpora los lineamientos para tener en cuenta para llevar a cabo el uso de sensores de bajo costo en el país Tabla 6. Identificación de estaciones de calidad del aire, ubicación, clasificación y de sensores de bajo costo. Adaptado de U.S. Environmental Protection Agency’s, 2021 y European Environment Agency, 2019 ITEM COLOMBIA EPA UNE Usos potenciales para sensores de bajo costo Los sensores de bajo costo, si bien no cuentan con una norma que los reglamente para su uso, evaluación y criterios de localización, éstos están cimentados jurídica y legalmente sobre el Protocolo para el Monitoreo y Seguimiento de la Calidad del Aire - Manual de Diseño de Sistemas de Vigilancia de la Calidad del Aire. Educación Monitoreo de exposición personal Suplementar las medidas reglamentarias sobre la calidad del aire Efectuar investigaciones. Identificación y caracterización de fuentes Localizar fugas en las sedes industriales Respuesta ante emergencias Ciencia ciudadana Producir información sobre la calidad del aire local y la exposición de la población a la contaminación del aire Crear conciencia sobre la calidad del aire local para atraer la atención de las autoridades locales o nacionales Medidas complementarias tomadas por redes oficiales de monitoreo de la calidad del aire y ayuda para mejorar los modelos de calidad del aire ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 80 ITEM COLOMBIA EPA UNE Dificultades de los usuarios de los sensores de bajo costo Temperaturas bajas y altas, así como los altos niveles de humedad. La calibración de campo para proporcionar datos más precisos. Baja resistencia a la intemperie de algunos sensores de bajo costo requiriendo una carcasa física para protegerlos de las condiciones climáticas. Tiempo de vida útil de los sensores. Descarga de datos con un software específico o una aplicación. La comunicación de datos de los sensores de bajo costo, como Wifi, celular o Bluetooth. Revisión frecuente de los sensores dado que no pueden recopilar el 100% de los datos por un mal funcionamiento, por corte de las fuentes de alimentación de energía y por interferencias del clima Los sensores pueden ser sensibles a las condiciones climáticas (velocidad del viento, temperatura, humedad) o pueden tener dificultades para distinguir los contaminantes. La calibración en campo. Confiabilidad de los datos. No es fácil el procesamiento de datos. Pérdida de capacidad de respuesta con el tiempo. Desafíos en la infraestructura de la comunicación, relacionados con la conectividad de los dispositivos y el tráfico de datos. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 81 ITEM COLOMBIA EPA UNE Evaluación de sensores de bajo costo para el uso en general La EPA creó una herramienta de análisis macro basada en Excel para comparar los datos de sensores de bajo costo con datos de equipos regulatorios e interpretar sus resultados, incluso si los conjuntos de datos no tienen marcas de fecha y hora coincidentes o se recopilaron en diferentes intervalos de tiempo. El rendimiento del sensor puede evaluarse y la precisión de los datos puede mejorarse al comparar los datos del sensor con los datos del monitor de referencia, mediante el proceso de operar un monitor de referencia (FRM/FEM) y el sensor que no es de referencia al mismo tiempo y en el mismo lugar en condiciones reales en un período de evaluación definido, mediante varios pasos que se describen en la guía de instrucciones de cómo evaluar los sensores de bajo costo mediante colocación con monitores de referencia federales. Paso 1: Planificar Paso 2: Medir Paso 3: Recopilar Datos y revisar Paso 4: Comparar los datos Paso 5: Usar los sensores Comparar los datos que produce el sensor con los de un instrumento de referencia oficial, muy cerca (situado a no más de 10 metros de distancia) y en condiciones de campo, proceso conocido como colocación. Repetir el ejercicio durante cada estación del año, realizando un mínimo de 2 semanas de mediciones continuas. Si no es viable comparar los datos con una estación de monitoreo, se recomienda que las instituciones nacionales brinden apoyo a los ejercicios de calibración. Por ejemplo, el Instituto Nacional de Salud Pública y Medio Ambiente (RIVM) en los Países Bajos ofrece apoyo a las partes interesadas que deseen calibrar sensores de NO2. Se enlistan las siguientes opciones para calibrar los sistemas de sensores: 1. Prueba de sensores individuales durante la fabricación. 2. Calibración en laboratorio para comprender los principales factores que influyen en la respuesta del sensor. 3. Comparar con el instrumento de ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 82 ITEM COLOMBIA EPA UNE referencia a intervalos regulares. 4. Aprendizaje automático basado en el aprendizaje a través de sistemas de sensores en una red que actualmente se encuentra en desarrollo. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 83 ITEM COLOMBIA EPA UNE Criterios de localización Estos criterios de ubicación se basan en los objetivos de muestreo, ya que estos pueden afectar la selección de la ubicación y las interferencias conocidas. 1. Sitio alejado de fuentes contaminantes (por ejemplo, fogata o parrilla) o sumideros de contaminación (por ejemplo, barrera de árboles o arbustos) para obtener una medida representativa de la calidad del aire. 2. Permitir el flujo de aire libre alrededor del sensor. 3. Instalar el sensor a una altura aproximadamente de 0,9 a 1,8 m sobre el suelo, cerca de la altura típica de la zona de respiración. 4. Mantener alejado de estructuras, evitando colocar el sensor cerca de líneas eléctricas de alto voltaje, que pueden crear interferencias electrónicas. 5. Buscar sitios que satisfagan las necesidades. Así mismo, es importante revisar 1. El acceso para instalar y verificar periódicamente el sensor. 2. Las opciones de energía ya que es posible que los sensores de aire El flujo de aire alrededor del dispositivo de medición no debe verse afectado. La medición debe realizarse a una altura de 1,5 metros hasta un máximo de 4 metros. Las mediciones no deben realizarse en las inmediaciones de las fuentes de emisión. Diversas fuentes de interferencia, accesibilidad, suministro de energía constante, conectividad adecuada, la seguridad del público y del personal operativo. Los fabricantes brindan un asesoramiento y recomendaciones personalizadas para la ubicación de los sensores en ciudad, empresa o interiores. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 84 ITEM COLOMBIA EPA UNE deban conectarse, tener paneles solares u ofrecer ambas opciones, enfatizando que los paneles solares pueden no ser adecuados si su ubicación no recibe suficiente sol y necesitarán mantenimiento periódico para eliminar el polvo. 3. Revisar como los sensores de bajo costo pueden comunicar los datos a una interfaz basada en la nube utilizando una variedad de tecnologías (por ejemplo, celular, Wifi, LoRa) y sus requisitos específicos, como las limitaciones de la red (por ejemplo, 2G, 5G), las limitaciones del operador, la cobertura de área y las necesidades de intensidad de la señal. 4. Condiciones de seguridad, debido a que los sensoresy sus equipos periféricos (como los paneles solares) están sujetos a manipulación y robo, a raíz de ello, se debe considerar colocar los sensores en ubicaciones seguras. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 85 ITEM COLOMBIA EPA UNE Orientación para cómo evaluar el rendimiento de los sensores de bajo costo (Protocolos de prueba) En febrero de 2021, la EPA publicó dos informes de objetivos de rendimiento de sensores de bajo costo, uno para O3 y otro para PM2.5, con el fin de proporcionar un conjunto coherente de protocolos de prueba, métricas y valores objetivo para evaluar el rendimiento de los sensores de aire específicamente para aplicaciones de monitoreo suplementario e informativo no regulatorio para su uso al aire libre y en ubicaciones fijas. Los informes incluyen protocolos para dos escenarios de prueba: 1. Pruebas básicas, que incluyen evaluación de campo 2. Pruebas mejoradas, que incluyen evaluación de laboratorio En estos se incluye un resumen de los protocolos de prueba, detalles sobre cómo calcular las métricas de rendimiento recomendadas, una lista de valores objetivo para cada métrica basada, plantillas de informes para informes coherentes de los resultados de las pruebas El Comité Europeo de Normalización (CEN) está desarrollando actualmente un protocolo para evaluar sensores de bajo costo. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 86 ITEM COLOMBIA EPA UNE Recomendaciones y precauciones para colocar sensores de aire con monitores reglamentarios Recomendaciones Instalar los sensores a 20 metros horizontales del equipo FRM/FEM. Instalar los sensores en un lugar donde estén expuestos al flujo de aire. Asegurar que la entrada de muestreo del aire del sensor esté a una altura de 1 metro verticalmente de la entrada de muestreo de aire del monitor FRM/FEM. Instalar los sensores idénticos a 1 metro de distancia entre sí. Si es necesario, instale los sensores dentro de un recinto/refugio protegido contra la intemperie que mantenga un amplio flujo de aire alrededor del sensor (según lo recomendado por el fabricante) Precauciones No colocar los sensores cerca de objetos de estructuras que puedan afectar el flujo de aire al sensor o bloquear la entrada de aire del sensor o que puedan alterar la temperatura o Humedad relativa cerca del sensor No colocar los sensores en lugares con riesgo de vibración, descarga eléctrica u otros peligros potenciales. Recomendaciones Realizar la calibración contra estaciones oficiales de monitoreo de la calidad del aire durante cada estación del año, realizando un mínimo de 2 semanas de mediciones continuas. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 87 10. Conclusiones ● La información disponible sobre el uso de sensores de bajo costo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire por Material Particulado (PM10 y PM2.5) es mínima teniendo en cuenta las problemáticas ambientales de las diferentes ciudades del país, sin embargo, la información presentada permite profundizar en el conocimiento y ser una carta de navegación para el desarrollo de futuros trabajos de investigación y de participación ciudadana. ● Los resultados revelan que los datos de calidad del aire medidos por los sensores de bajo costo (AMVA – PURPLE AIR) para el parámetro PM2.5, si bien en algunas ocasiones, pueden ser inferiores a las concentraciones medidas por los Sistemas de Vigilancia de Calidad del Aire, si guardan una correlación positiva alta, de ahí que su rendimiento es satisfactorio en comparación con los instrumentos de referencia, permitiendo así, ser un punto de referencia para las autoridades ambientales y poder llegar a establecer un panorama en tiempo real de la calidad del aire que se respira en cualquier región. ● Los resultados de la evaluación del desempeño mostraron para el Valle de Aburrá, coeficientes de correlación superiores para el caso de PM2.5 comparado con los coeficientes obtenidos para PM10. Incluso se obtuvieron coeficientes superiores a 0.7 para nubes no necesariamente cercanas a la estación oficial considerada. En este sentido es posible afirmar que los sensores de bajo costo son confiables para monitorear el material particulado PM2.5, sumado a que son económicos y fáciles de transportar, por lo que son útiles para estudiar la calidad del aire. ● Para concluir, el uso de sensores de bajo costo se puede dar como complemento a las redes oficiales para generar mediciones indicativas de la calidad del aire, realizar proyectos de ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 88 educación ambiental, y apropiación social, dándole la oportunidad a la población, entidades gubernamentales y no gubernamentales de adelantar iniciativas que permitan un control y seguimiento a la calidad del aire en lugares donde no se tiene la oportunidad de contar con estaciones de monitoreo y poder abarcar todo el territorio Colombiano ● Se identificaron los principales aspectos para tener en cuenta a nivel internacional, tanto en la EPA como en la EEA para los sensores de bajo costo. Entre los aspectos comunes se encuentran los usos potenciales establecidos para los sensores de bajo costo y los criterios de localización de estos. 11. Recomendaciones ● Se sugiere que las autoridades ambientales utilicen sensores de bajo costo en sus jurisdicciones con el fin de caracterizar los contaminantes en muchas más zonas, permitiendo la creación de programas de ciencia ciudadana. ● Es necesario fortalecer el trabajo y la articulación entre los diferentes actores (Autoridades ambientales, colectivos y academia), mejorando así, el reporte de información y la verificación del cumplimiento de los estándares nacionales de calidad del aire en todo el territorio colombiano. ● La confirmación de los datos en el presente estudio requiere de un estudio con muchos más departamentos, que permita confirmar los resultados presentados en diferentes áreas del país. ● Si bien ya existen sensores de bajo costo operados por autoridades y colectivos ambientales, el desarrollo de estos se ha enfocado en el monitoreo del material particulado PM2.5. De esta manera se hace necesario que, desde los diferentes actores interesados en el monitoreo ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 89 de la calidad del aire, se avance en el desarrollo e implementación de sensores de bajo costo para la medición de contaminantes gaseosos, los cuales, considerando la evolución de las dinámicas económicas de las diferentes ciudades del país pueden llegar a convertirse con contaminantes críticos en alguna región. ● Finalmente, las siguientes limitaciones forman parte de este estudio, como lo es la limitada información de datos de los sensores de bajo costo y la no entrega de los resultados de mediciones por sensores de bajo costo en Bogotá. ESTADO DEL ARTE DEL USO DE SENSORES DE BAJO COSTO PARA EL MONITOREO ……… 90 12. Referencias AMVA (2021). Monitoreo del aire a partir de sensores de bajo costo [Video]. Consultado el 29 de agosto de 2022, desde: https://www.youtube.com/watch?v=nZ7w-SbBeRA Baena, J. (2020). 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