Browsing by Subject "Atmósfera"

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    Caracterización de las propiedades ópticas de aerosoles en modelos regionales acoplados química-meteorología/clima
    (Universidad de Murcia, 2020-02-19) Palacios Peña, Laura; Jiménez Guerrero, Pedro; Escuela Internacional de Doctorado
    Los aerosoles atmosféricos son partículas suspendidas en la atmósfera que afectan, entre otras cosas, al sistema atmosférico terrestre modificando su balance radiativo. Los mecanismos principales a través de los cuales se modifica el sistema atmosférico son: (1) la dispersión y absorción de la radiación solar (también conocido como interacciones aerosol-radiación, ARI, por sus siglas en inglés); y (2) la alteración de las nubes y la precipitación, afectado tanto a la radiación como al ciclo higrológico (interacciones aerosol-nube, ACI; Boucher et al., 2013). Sin embargo, la incertidumbre en la representación de las nubes y de los efectos de aerosoles es mucho mayor que la de cualquier otro agente de forzamiento climático. Esto ocurre porque las propiedades químicas, físicas y ópticas de los aerosoles son muy variables a escala espacio-temporal debido al corto tiempo de vida y a las emisiones no uniformes de las partículas. Las propiedades ópticas de los aerosoles, las cuales son muy dependientes de las propiedades físicas y químicas, tienen una fuerte influencia en ARI y ACI. Por tanto, una representación precisa de estas es esencial para reducir la alta incertidumbre asociada a las interacciones. De la misma forma, Europa es una de las regiones climáticas más sensibles al cambio climático (Giorgi, 2006). Dentro de ella, el papel de los aerosoles se hace más crucial sobre Mediterráneo, donde se produce una mezcla de aerosoles desde diferentes fuentes (Papadimas et al. 2012). Por ello, el principal objetivo de esta Tesis es caracterizar la representación de las propiedades ópticas de los aerosoles atmosféricos y sus incertidumbres usando un modelo químico-meteorológico totalmente acoplado en línea, Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry (WRF-Chem; Grell et al., 2005) sobre Europa. Este objetivo mejora el conocimiento de los procesos en la representación de las propiedades ópticas de los aerosoles en los modelos acoplados y establece los primeros pasos para una mejora en la representación de ARI y ACI, que contribuya a la reducción en sus incertidumbres. Para cumplir con los objetivos, se han utilizado herramientas de modelización y observacionales para estudiar las propiedades de los aerosoles, especialmente propiedades ópticas, y su influencia sobre el sistema atmósfera-química-aerosoles-nubes-radiación. Los siguientes objetivos específicos se han derivado del objetivo principal: • Evaluar las diferentes parametrizaciones/configuraciones de WRF-Chem y otros modelos cuando modelizan aerosoles y su capacidad para representar las propiedades ópticas. Para ello, se pretendía: (1) establecer cual son los “mejores” datos de teledetección disponibles para evaluar simulaciones para ello se han comparado diferentes productos de satélite frente la red Aerosol Robotic Network (AERONET); (2) evaluar la representación de las propiedades ópticas utilizando un conjunto de simulaciones realizadas bajo diferentes iniciativas europeas e internacionales; y (3) determinar si la inclusión de ARI y ACI, que aumenta significativamente el tiempo de computación, mejora la representación de las propiedades ópticas. • Evaluar la influencia de procesos, parámetros y aproximaciones en la modelización de aerosoles en la mejora de la representación de las propiedades ópticas en WRF-Chem. Para ello, se ha cuantificado la sensibilidad de las propiedades ópticas de aerosol a: (1) la distribución vertical y algunos de los parámetros y procesos con mayor incertidumbre; (2) la distribución de tamaño de partícula; y (3) la resolución espacial. Los resultados de esta Tesis indican que la profundidad óptica de aerosoles (AOD) esta mejor representada que el exponente de Ånsgtröm (AE), del que además se subestima su variabilidad. Las discrepancias encontradas entre las simulaciones y las observaciones pueden ser debidas a errores del modelo en la estimación de la masa seca de aerosol, la fracción de partículas para una masa dada o la humedad asociada a los aerosoles, también por una mala representación en la distribución vertical de los aerosoles o por la influencia de las condiciones iniciales y de frontera. En este sentido, esta Tesis también evalúa la capacidad de diferentes satélites para representar las propiedades ópticas. Las mejoras observadas en las propiedades ópticas de aerosol cuando ARI y ACI se tienen en cuenta, en concreto las relativas a la distribución vertical de los aerosoles, justifican la inclusión de estas interacciones en las simulaciones con WRF-Chem, además del alto tiempo de computaciones requerido. Por ello, las simulaciones realizadas a partir de este punto se realizaron teniendo en cuenta ARI y ACI. El siguiente paso consintió en la realización de una prueba para cuantificar la sensibilidad de las propiedades ópticas de aerosoles y su distribución vertical a la deposición seca, al transporte a nivel inferior a la cuadrícula, a la humedad relativa (RH) y a la deposición húmeda. Los resultados destacan la influencia de los aerosoles secundarios orgánicos (SOA) en la representación de AOD durante un episodio de incendios forestales y la dependencia de las concentraciones de SOA al sistema sulfato-nitrato-SOA debido a cambios en RH, deposición seca y transporte convectivo vertical. Por si misma, la deposición seca también presenta una alta incertidumbre en la representación de AOD. Otra fuente reconocida de incertidumbre en AOD es la distribución de tamaño de partículas. Por ello, se ha llevado a cabo una prueba de sensibilidad para distinguir que parámetro de una distribución de tamaño logarítmica-normal influye más en la representación de AOD. Los resultados indican que AOD es muy sensible a la reducción en la desviación estándar del modo de acumulación. De la misma forma, la disminución en el radio geométrico de este modo hace que el modelo asuma partículas más pequeñas, y un aumento en el mismo para el modo grueso produce una redistribución de partículas en toda la distribución de tamaño. Finalmente, la influencia de la resolución espacial en la representación de las propiedades ópticas de aerosoles ha sido evaluada. Este estudio reveló que un aumento en la resolución espacial mejoraba la representación de las variables asociadas al polvo sahariano, como AOD. La representación de RH, a la cual el polvo es muy sensible, también mejora. Todos estos cambios son consecuencia de una mejora en la representación de los procesos dinámicos cuando se aumenta la resolución. Esta Tesis ha contribuido a entender como las propiedades ópticas de aerosoles están implementadas en los modelos regionales químico-meteorológicos acopados en línea y sus limitaciones intrínsecas. Futuros trabajos pueden ir dirigidos a la reducción de las incertidumbres demostradas utilizando métodos combinados de observaciones y modelos. La reducción en la incertidumbre de AOD y la representación de aerosoles implica una reducción en las incertidumbres asociadas a los efectos de los aerosoles, tanto ARI (por AOD) como ACI (mejorando las propiedades microfísicas).
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    Development of artificial intelligence systems for signal processing and signal enhancement in particulate matter sensors
    (Universidad de Murcia, 2024-06-21) Illueca Fernández, Eduardo; Fernández Breis, Jesualdo Tomás; Jara Valera, Antonio Jesús; Escuela Internacional de Doctorado
    La Organización Mundial de la Salud (OMS) afirma que la contaminación del aire será una preocupación ambiental importante en los próximos años, lo que conlleva un mayor énfasis en acciones enfocadas a la reducción de los niveles de contaminantes en el aire, siendo la materia particulada (PM) el contaminante más dañino para la salud, con una gran parte de la población expuesta a concentraciones que exceden los estándares de la OMS. En este sentido, la monitorización de la calidad del aire es esencial para conocer los niveles de contaminantes en el aire. Sin embargo, el empleo de equipos de medición es costoso y poco automatizable, por lo que es necesario recurrir a nuevos paradigmas como el Internet de las Cosas (IoT) que son capaces de ofrecer soluciones de menor coste. Sin embargo, los dispositivos IoT presentan sesgos importantes en los procesos de medición, especialmente en lo que respecta a partículas, debido a la influencia de factores externos como la humedad. Por ello, esta tesis explora soluciones para mejorar la señal en sensores de partículas utilizando una metodología bottom-up. En primer lugar, se ha desarrollado un sistema hardware corrector de humedad basado en columnas de silicona, que ha sido evaluado con respecto a los métodos de referencia. A continuación, se ha desplegado una capa edge que permite el procesamiento de datos mediante modelos de machine learning para realizar predicciones de concentración de partículas a corto plazo. Posteriormente, los datos hiperlocales de los dispositivos se utilizan para calibrar el modelo de transporte químico CHIMERE-WRF. Los resultados demuestran que el sistema de secado desarrollado mejora la precisión en PM2.5 en comparación con los sensores existentes, con un coeficiente de determinación (R2) igual a 0.83. Además, estos dispositivos pueden integrarse fácilmente en una arquitectura IoT-Edge-Cloud para la evaluación de riesgos en entornos laborales, utilizando el aprendizaje automático para predecir superaciones con una precisión del 80 %. Por otro lado, la calibración del modelo CHIMERE-WRF permite mejorar la correlación del sistema en un 63 % para NO2 y un 25 % para O3. Por último, una nueva propuesta de zonificación de la calidad del aire para la Región de Murcia, utilizando una metodología automatizada, permite identificar nuevos puntos de monitorización. En conclusión, la combinación de mediciones hiperlocales de calidad del aire y simulaciones con modelos de transporte químico permite mejorar la medición de partículas y la generación de productos para evaluar el impacto en la sostenibilidad de diferentes políticas. Estos conocimientos son cruciales en el sector de Ciudades Inteligentes. El desafío futuro radica en aplicar grandes cantidades de datos generados por IoT en escenarios más complejos y soluciones digitales para ciudades
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    Estimation of the impacts of air pollution and climate change on mortality over Europe
    (Universidad de Murcia, 2021-02-19) Tarín Carrasco, Patricia; Jiménez Guerrero, Pedro; Escuela Internacional de Doctorado
    En la actualidad la población de todo el mundo se encuentra amenazada por los efectos adversos que provocan el cambio climático y la contaminación atmosférica. Ambos fenómenos presentan impactos en salud humana. Esta tesis se plantea como objetivo estimar los impactos de la contaminación atmosférica y el cambio climático en la salud de la población europea, tanto para el periodo presente (1991-2010) como las diferencias esperadas en el futuro a causa del impacto del cambio climático (2031-2050, RCP8.5). Este objetivo nos permite comprender el impacto que el cambio climático tiene por sí solo en la población europea. Esta estimación se realizará a través de distintas metodologías en los distintos capítulos que se presentan y desde distintos enfoques. Se hará uso de herramientas estadísticas como SPSS u hojas de cálculo para establecer correlaciones de Pearson o Poisson, así como el uso de modelos climáticos (WRF-Chem) para crear escenarios futuros de cambio climático. Para la estimación del número de casos, además de las correlaciones, se hace uso de funciones de exposición-respuesta tanto lineales como no-lineales. En cuanto a los resultados obtenidos en la tesis, en el Capítulo 2 haciendo uso de funciones de exposición-respuesta lineales se estima que las grandes ciudades europeas, el Valle del Ruhr y el este de Europa presentan más casos y costes. Además, se espera un aumento de ambas variables en el sur de Europa para el escenario futuro (RCP8.5, 2071-2100). Se estiman 418,700 casos de muerte prematura por año para el periodo presente y un aumento de 94,900 casos para el periodo futuro. Además de unos costes de 173 billones por año a 204 billones por año para finales del siglo. Por otra parte, en el Capítulo 3 se hace uso de funciones de exposición-respuesta no-lineales y se estima un total de 895,000 muertes prematuras anuales debidas a PM2.5 en Europa para el periodo 1991-2010. Las áreas más afectadas se encuentran en el centro de Europa y las grandes ciudades. Además de contar con la acción del cambio climático, si se considera la dinámica poblacional, para el periodo futuro (RCP8.5, 2031-2050) se espera un aumento del 71.96%, es decir, 1,540,000 casos anuales. Las regiones donde espera un mayor aumento son el sur y este de Europa. En el Capítulo 4, los resultados obtenidos para la estimación donde además se tiene en cuenta un escenario de mitigación donde el 80% de la producción energética proviene de fuentes renovables, se estiman 1,480,000 muertes anuales para el mismo periodo futuro, es decir, un aumento del 71.67% en comparación con el presente. En el caso de los resultados obtenidos en el Capítulo 5, donde se estudian los efectos provocados por eventos extremos causados por el cambio climático como los incendios forestales, se ha encontrado correlación entre PM10 y área ardida en algunos NUTS III (regiones) de Portugal, así como una correlación significativa entre área ardida y mortalidad. El norte, centro e interior de Portugal son las áreas más afectadas durante el periodo 2001-2016. En conclusión, la contaminación atmosférica y el cambio climático tienen serios impactos en salud humana provocando el aumento del número de admisiones hospitalarias, enfermedades crónicas o incluso la muerte prematura. Debemos tener en cuenta que los resultados obtenidos son una estimación. Estos resultados están asociados a diferentes variables que en ocasiones son difíciles de proyectar. Los resultados presentados muestran que la acción de los gobiernos y entidades públicas debe enfocarse en la regulación de la contaminación atmosférica y el cambio climático; e implementar políticas de mitigación que conduzcan a mejorar la calidad del aire y, por tanto, el bienestar de los ciudadanos europeos.
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    Extreme precipitation events in the Mediterranean region : An inquiry into the role of aerosols in the microphysical processes governing their genesis and development
    (Universidad de Murcia, 2022-03-09) Pravia Sarabia, Enrique; Montávez Gómez, Juan Pedro; Gómez Navarro, Juan José; Escuela Internacional de Doctorado
    Eventos de precipitación extrema en la región mediterránea: un estudio sobre el papel de los aerosoles en los procesos de microfísica que gobiernan su génesis y desarrollo. Los modelos meteorológicos han demostrado tener capacidad para reproducir con una precisión razonable procesos atmosféricos de naturaleza compleja. En las últimas décadas, el avance en conocimiento sobre las interacciones aerosol- nube y la incorporación de dichas interacciones a la física de los modelos han supuesto una revolución en el campo de la precipitación y su formación. Sin embargo, múltiples aspectos relacionados con la investigación de los procesos de microfísica que actúan en las nubes son actualmente objeto de investigación. En concreto, la habilidad de los modelos para reproducir la distribución de aerosoles, la cual tiene una influencia notable en las interacciones aerosol- nube, ha sido una limitación recientemente superada mediante la introducción de esquemas de aerosoles interactivos, en los que su emisión y transporte se calculan a partir de los campos meteorológicos. Este nuevo paradigma, en continuo desarrollo, abre la posibilidad de una mejora en la reproducción de eventos meteorológicos altamente influenciados por las interacciones aerosol- nube, como es el caso de los eventos de precipitación extrema. En este sentido, el objetivo principal de esta tesis doctoral es la evaluación de la habilidad de los modelos regionales para reproducir eventos meteorológicos de precipitación extrema sobre la cuenca mediterránea, así como el esclarecimiento del papel de los aerosoles en la génesis y desarrollo de dichos eventos. A estos efectos, se estudian a lo largo de este documento los procesos de microfísica que rigen la formación de precipitación en diferentes sistemas atmosféricos mediante una serie de simulaciones con modelos de alta resolución. Como resultado de lo anterior, las principales conclusiones que se desprenden de los estudios desarrollados sugieren que la concentración de aerosoles y su tamaño regulan la formación de precipitación, bien sea en forma de lluvia o nieve provinientes de sistemas de fase cálida o mixta; por tanto, la consideración de un cálculo interactivo de los aerosoles resulta primordial para la correcta reproducción de la población de aerosoles para cada evento particular, especialmente cuando se pretende reproducir eventos de precipitación extrema.
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    Prenatal exposure to residential traffic-related air pollution and immune system at birth : results from the NELA cohort
    (Universidad de Murcia, 2022-07-13) García Serna, Azahara María; Morales Bartolomé, Eva; Escuela Internacional de Doctorado
    Antecedentes: Considerada como el segundo factor de riesgo de las enfermedades no transmisibles, la contaminación atmosférica es un problema de salud pública a nivel mundial. Alteraciones del sistema inmunitario han sido propuestas como mecanismos subyacentes de estos efectos, y la gestación como una etapa de mayor vulnerabilidad. Sin embargo, el impacto de la exposición prenatal a contaminación atmosférica derivada del tráfico (TRAP) en el sistema inmunitario ha sido poco estudiado. Objetivos: Estudiar el impacto de la exposición prenatal a TRAP en el sistema inmunitario al nacimiento. Objetivos específicos: 1. Resumir las evidencias de la influencia del ambiente prenatal y perinatal sobre las células del sistema inmunitario y los perfiles de citoquinas en sangre de cordón. 2. Caracterizar el sistema inmunitario al nacimiento analizando subpoblaciones celulares y los perfiles de citoquinas sin estimular y en respuesta a estímulos en sangre de cordón. 3. Estudiar los efectos de la exposición prenatal a TRAP en la distribución de subpoblaciones celulares del sistema inmunitario en sangre de cordón. 4. Investigar los efectos de la exposición prenatal a TRAP sobre los perfiles de citoquinas de células de sangre de cordón sin estimular y estimuladas. 5. Identificar ventanas de susceptibilidad del sistema inmunitario a la exposición prenatal a TRAP. Métodos: Para el primer objetivo se realizó una búsqueda en PUBMED limitada a estudios en humanos publicados en inglés sobre asociaciones entre factores prenatales y perinatales con cambios en células del sistema inmunitario y en los perfiles de citoquinas en sangre de cordón. Para el resto de objetivos usamos datos de parejas madre-hijo del estudio NELA, una cohorte al nacimiento prospectiva de base poblacional (2015-2018). La exposición residencial durante el embarazo a dióxido de nitrógeno (NO2), material particulado (PM2.5 and PM10) y ozono (O3) relacionada con tráfico se estimó mediante un modelo de dispersión y transporte químico. Se realizó un inmunofenotipado de los leucocitos en sangre de cordón, incluyendo las subpoblaciones de linfocitos T cooperadores de tipo 1 (Th1), Th2, Th17 y T reguladoras (Treg) mediante citometría de flujo. Además, se analizó un amplio panel de citoquinas con tecnología Luminex. Las asociaciones entre las concentraciones de TRAP y los recuentos de células del sistema inmunitario se analizaron con modelos de regresión de Poisson; y las relaciones entre la exposición a TRAP y la producción de citoquinas se analizó con modelos de regresión lineal y logística así cómo modelos de múltiples contaminantes. Resultados: 1. Los períodos prenatal y perinatal parecen representar ventanas cruciales de mayor susceptibilidad del sistema inmunitario a diversas influencias ambientales. 2. Los recuentos de células NK, T citotóxicas y Treg disminuyeron en relación a mayores niveles de TRAP; mientras que mayores niveles de PM se asociaron con un aumento del número total de células Th y Th1 en sangre de cordón. 3. La exposición prenatal a mayores niveles de TRAP se asoció con un aumento de los índices de probabilidad de detectar niveles de citoquinas inflamatorias (IL-1β y IL-6), Th2 (IL-13) e IL-10. 4. Las exposiciones a NO2 y PM durante el embarazo se asociaron a una mayor respuesta de citoquinas inflamatorias y Th1 a estímulos ambientales. 5. El primer y tercer trimestre de gestación se identificaron como ventanas de mayor susceptibilidad del sistema inmunitario a efectos de TRAP. Conclusiones: Los periodos prenatal y perinatal son etapas de mayor susceptibilidad del sistema inmunitario a factores ambientales. Además, la exposición prenatal a TRAP podría afectar el desarrollo del sistema inmunitario mediante cambios en las subpoblaciones de leucocitos y el incremento de citoquinas proinflamatorias al nacimiento. Estos cambios podrían influir las respuestas inmunitarias y aumentar el riesgo de infecciones respiratorias y manifestaciones alérgicas en la infancia.