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An�lisis descriptivo para el di�xido de nitr�geno medido en el centro de Quito usando an�lisis funcional

 

Descriptive analysis for nitrogen dioxide measured in downtown Quito using functional analysis

 

An�lise descritiva para di�xido de nitrog�nio medido no centro de Quito usando an�lise funcional

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: fabian.allauca@espoch.edu.ec

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Ciencias Naturales.

Art�culo de Investigaci�n.

 

* Recibido: 23 de enero de 2023 *Aceptado: 12 de febrero de 2023 * Publicado: 16 �de marzo de 2023

 

                    I.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

                 II.             Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

                III.            Unidad Educativa Fiscomisional R�o Upano, Sucua, Ecuador.

 

 

Resumen

Analizar descriptivamente los datos del di�xido de nitr�geno medidos en el a�o 2019 y 2020 en el centro hist�rico de Quito. Materiales y m�todos. Los datos ambientales fueron recolectados por la Red Metropolitana de Monitoreo Atmosf�rico de Quito (REMMAQ). Los datos fueron analizados en el software estad�stico RStudio, con el paquete "fda.usc" (An�lisis de datos funcionales y utilidades para la computaci�n estad�stica) versi�n 2.0.2. Resultados. Se obtuvieron gr�ficos exploratorios, curvas at�picas, gr�ficas mensuales, gr�ficas con curvas medias y bandas de confianza. El gr�fico exploratorio indic� que el comportamiento del di�xido de nitr�geno present� una tendencia de doble monta�a, la primera teniendo como cumbre un valor aproximado de 60 �g/m3 alrededor de las 7 a 8 de la ma�ana, y la segunda teniendo como cumbre el mismo valor aproximado de 60 �g/m3 alrededor de las 5 a 6 de la tarde; correspondiendo estos picos o cumbres exactamente con las horas de m�xima circulaci�n vehicular. Al graficar las curvas medias mensuales para el a�o 2019 se observ� que las medias m�s altas corresponden a los meses de marzo y abril; mientras que los meses con medias m�s bajas corresponden a los meses de julio y agosto. La gr�fica de la curva media con un entorno de confianza Bootstrap al 95% indic� la tendencia vista anteriormente de doble monta�a, donde las cumbres llegan a un valor de 32 �g/m3 alrededor de las 6 a 8 de la ma�ana y un valor de 33 �g/m3 alrededor de las 6 a 8 de la noche; y tomando un valor de 12 �g/m3 en su punto m�s bajo.��

Palabras Clave: Contaminaci�n del aire; di�xido de nitr�geno; software estad�stico R; paquete fda.usc; an�lisis funcional.

 

Summary

Descriptively analyze the nitrogen dioxide data measured in 2019 and 2020 in the historic center of Quito. Materials and methods. Environmental data were collected by the Quito Metropolitan Atmospheric Monitoring Network (REMMAQ). Data were analyzed using RStudio statistical software, with the "fda.usc" package (Functional Data Analysis and Statistical Computing Utilities) version 2.0.2. Results. Exploratory graphs, atypical curves, monthly graphs, graphs with mean curves and confidence bands were obtained. The exploratory graph indicated that the behavior of nitrogen dioxide presented a double-mountain trend, the first peaking at an approximate value of 60 �g/m3 around 7 to 8 in the morning, and the second peaking at the same value. approximately 60 �g/m3 around 5 to 6 pm; corresponding to these peaks or summits exactly with the hours of maximum vehicular circulation. When graphing the monthly average curves for the year 2019, it was observed that the highest averages correspond to the months of March and April; while the months with the lowest averages correspond to the months of July and August. The plot of the mean curve with a Bootstrap 95% confidence set indicated the previously seen double-mountain trend, where the peaks reach a value of 32 �g/m3 around 6 to 8 a.m. and a value of 33 �g/m3 around 6 to 8 at night; and taking a value of 12 �g/m3 at its lowest point.

Keywords: Air pollution; nitrogen dioxide; R statistical software; fda.usc package; functional analysis.

 

Resumo

Analise descritivamente os dados de di�xido de nitrog�nio medidos em 2019 e 2020 no centro hist�rico de Quito. Materiais e m�todos. Os dados ambientais foram coletados pela Rede Metropolitana de Monitoramento Atmosf�rico de Quito (REMMAQ). Os dados foram analisados ​​por meio do software estat�stico RStudio, com o pacote "fda.usc" (Functional Data Analysis and Statistical Computing Utilities) vers�o 2.0.2. Resultados. Foram obtidos gr�ficos explorat�rios, curvas at�picas, gr�ficos mensais, gr�ficos com curvas m�dias e faixas de confian�a. O gr�fico explorat�rio indicou que o comportamento do di�xido de nitrog�nio apresentou uma tend�ncia de dupla montanha, a primeira atingindo um valor aproximado de 60 �g/m3 por volta das 7 �s 8 da manh�, e a segunda atingindo o mesmo valor, aproximadamente 60 �g/m3 m3 por volta das 17h �s 18h; correspondendo esses picos ou cumes exatamente com as horas de m�xima circula��o veicular. Ao tra�ar as curvas m�dias mensais para o ano de 2019, observou-se que as maiores m�dias correspondem aos meses de mar�o e abril; enquanto os meses com as menores m�dias correspondem aos meses de julho e agosto. O gr�fico da curva m�dia com uma configura��o de confian�a Bootstrap de 95% indicou a tend�ncia de montanha dupla vista anteriormente, onde os picos atingem um valor de 32 �g/m3 por volta das 6h �s 8h e um valor de 33 �g/m3 por volta das 6h �s 8h. � noite; e tomando um valor de 12 �g/m3 em seu ponto mais baixo.

Palavras-chave: Contamina��o do ar; di�xido de nitrog�nio; software estat�stico R; pacote fda.usc; An�lise funcional.

 

 

Introducci�n

El di�xido de nitr�geno (NO2) es un contaminante atmosf�rico, de origen principalmente antropog�nico, cuyas fuentes fundamentales son motores de combusti�n interna (veh�culos), as� como las emisiones de determinadas industrias y grandes instalaciones de combusti�n. (Madrid Salud, 2023)

 

Los niveles m�s altos de este contaminante se alcanzan en �reas urbanas, especialmente en las grandes ciudades, as� como en la proximidad de las v�as de comunicaci�n con mayor intensidad de tr�fico. En el medio urbano, se estima que m�s del 75% del NO2 en aire ambiente se debe al tr�fico rodado. Su presencia en el aire contribuye a la formaci�n y modificaci�n de otros contaminantes atmosf�ricos, tales como el ozono y las part�culas en suspensi�n (PM10 y PM2,5). Los �xidos de nitr�geno, en contacto con compuestos org�nicos vol�tiles (COVs) presentes en la atm�sfera y en presencia de radiaci�n solar, generan ozono (O3), contaminante secundario de la atm�sfera. (Madrid Salud, 2023)

 

La exposici�n continua de NO2 se relaciona con diversas enfermedades de las v�as respiratorias como disminuci�n de la capacidad pulmonar, bronquitis agudas, asma y se considera el culpable de los procesos al�rgicos, sobre todo en ni�os. Se ha relacionado las exposiciones cr�nicas a bajo nivel con el enfisema pulmonar. Otros efectos menores son la irritaci�n ocular y de las mucosas. Existen algunos estudios que apuntan a un incremento en la mortalidad, aunque a�n no est� suficientemente bien establecido que la causa sea solamente la exposici�n a NO2 (Instituto para la Salud Geoambiental, 2021).

 

El Municipio del Distrito Metropolitano de Quito por medio de la Corporaci�n para el Mejoramiento del Aire de Quito (CORPAIRE), menciona que se generaron 21 699 toneladas de NOx, 80% de las cuales por fuentes m�viles, principalmente buses y pesados (42%) y particulares livianos, taxis y camionetas (35%). Otra fuente significativa son las centrales de generaci�n termoel�ctrica (17%). (Corporaci�n para el Mejoramiento del Aire de Quito, 2006)

 

Al ser el di�xido de nitr�geno un contaminante peligroso para la salud de las personas, el Municipio del Distrito Metropolitano de Quito por medio de la Red Metropolitana de Monitoreo Atmosf�rico (REMMAQ) lo monitorea diariamente, registrando sus datos para an�lisis posteriores.

 

Numerosos estudios utilizan el an�lisis funcional de datos para describir ciertos fen�menos f�sicos, teniendo como base datos meteorol�gicos, como temperatura, radiaci�n solar, humedad, velocidad del viento, presi�n, entre otras; donde se utiliza el software estad�stico de libre distribuci�n RStudio, con �nfasis en el uso de las librer�as fda y fda.usc para su descripci�n. (Allauca Pancho, 2021)

 

Metodolog�a

El paradigma utilizado en la presente investigaci�n es el paradigma positivista, con enfoque cuantitativo, el dise�o utilizado es el dise�o no experimental transversal.

Los datos con los que se desarroll� la presente investigaci�n son los obtenidos en la base de datos de la Red Metropolitana de Monitores Atmosf�rico de Quito (REMMAQ) para los a�os 2019 y 2020.

 

La poblaci�n son los datos del contaminante (di�xido de nitr�geno) presentes en el aire en todo momento, mientras que la muestra son los datos registrados por la REMMAQ cada hora del d�a para los a�os 2019 y 2020.

 

El procesamiento de la informaci�n fue realizado de la siguiente manera:

�         -Selecci�n de datos de este contaminante para los a�os 2019 y 2020.

�         -Creaci�n de una hoja de c�lculo en Microsoft Excel con los datos seleccionados.

�         -Disposici�n de los datos en filas de manera cronol�gica para los d�as y en columnas para las horas del d�a.

�         -Llenado de datos faltantes por medio de interpolaci�n lineal.

�         -Lectura de la hoja de Microsoft Excel en el software estad�stico RStudio.

�         -Suavizar la base de datos en el software RStudio.

�         -Realizar el gr�fico exploratorio de los datos funcionales del contaminante con ggplot2.

�         -Hallar los datos at�picos.

�         -Graficar las curvas medias mensuales de los datos funcionales del contaminante.

�         -Determinar la curva media y la banda de confianza.

 

Resultados

Los resultados del estudio son presentados a continuaci�n:

Curvas diarias:

 

Figura 1: Curvas diarias del di�xido de nitr�geno para los a�os 2019 y 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

Figura 2: Curvas diarias del di�xido de nitr�geno sin curvas at�picas

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

Valores at�picos funcionales:

 

Figura 3: Funciones at�picas del di�xido de nitr�geno para los a�os 2019 y 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

Curvas medias mensuales:

 

Figura 4: Curvas medias mensuales del di�xido de nitr�geno para el a�o 2019

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

 

Figura 5: Curvas medias mensuales del di�xido de nitr�geno para el a�o 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

Curva media funcional con entorno de confianza bootstrap al 95%:

 

 

Figura 6: Estimador de curva media con entorno de confianza bootstrap al 95% del di�xido de nitr�geno para los a�os 2019 y 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

 

 

 

 

 

 

Discusi�n

Curvas diarias:

 

En la Figura 1, se puede observar las 700 curvas diarias del di�xido de nitr�geno correspondiente a los a�os 2019 y 2020, en la cual se aprecia una tendencia de doble monta�a, la primera teniendo como cumbre un valor aproximado de 60 �g/m3 alrededor de las 7 a 8 de la ma�ana, y la segunda teniendo como cumbre el mismo valor aproximado de 60 �g/m3 alrededor de las 5 a 6 de la tarde; correspondiendo estos picos o cumbres exactamente con las horas de m�xima circulaci�n vehicular. Cabe mencionar que el di�xido de nitr�geno tiene como una de sus fuentes de origen los procesos de combusti�n interna de motores di�sel y gasolina de veh�culos, representando el 80% para la ciudad de Quito en el a�o 2006. (Corporaci�n para el Mejoramiento del Aire de Quito, 2006). Por este motivo se explicar�a la tendencia que est�n tomando los datos de este contaminante.

 

Para tener una mayor visualizaci�n de la tendencia de la distribuci�n de los datos funcionales para el di�xido de nitr�geno, se grafica sin curvas at�picas, la Figura 2, muestra la gr�fica exploratoria sin estas curvas at�picas, pudi�ndose apreciar de mejor manera la tendencia de doble monta�a que est�n tomando los datos, presentando sus cumbres alrededor de las 7 a 8 de la ma�ana y alrededor de las 5 a 6 de la tarde.

 

 

Valores at�picos funcionales:

 

Las curvas de los d�as at�picas corresponden a los siguientes d�as:

20, 22 y 24 de marzo de 2019

21 de septiembre de 2019

24 de octubre de 2019

14 de mayo de 2020

6, 7, 12, 14, 15, 16, 17, 19, 23 y 27 de noviembre de 2020

 

La Figura 3 muestra 16 curvas de los d�as at�picos, estas curvas no concuerdan con la tendencia de la distribuci�n de los datos para el di�xido de nitr�geno, ya que en algunas horas del d�a muestran valores m�s altos en comparaci�n a las otras curvas. Se observa que el mes de noviembre de 2020 posee 10 d�as at�picos, pudi�ndose deber posiblemente alguna falla del equipo recolector de datos o alg�n motivo que incremento la concentraci�n de este contaminante.

 

Curvas medias mensuales:

 

Las Figuras 4 y 5 muestran las curvas de las medias mensuales del di�xido de nitr�geno para los a�os 2019 y 2020 respectivamente. En la figura correspondiente al a�o 2019 se aprecia que las medias m�s altas corresponden a los meses de marzo y abril; mientras que los meses con medias m�s bajas corresponden a los meses de julio y agosto; coincidiendo de alguna manera con los meses de vacaciones escolares.

 

En la Figura 5 se aprecia un comportamiento de las medias, menor, sobre todo para los meses de marzo, abril y mayo de 2020 en comparaci�n con las curvas del 2019, exceptuando el mes de noviembre de 2020, donde se pudo apreciar 10 d�as at�picos. Este comportamiento de las medias, menor en comparaci�n con el a�o 2019, se puede deber a que en el a�o 2020 se produjo la pandemia de covid-19, trayendo consigo un aislamiento y por ende a una menor circulaci�n vehicular sobre todo en los meses de marzo, abril y mayo.

 

Curva media funcional con entorno de confianza bootstrap al 95%:

 

La media funcional para los datos del di�xido de nitr�geno se puede apreciar en la Figura 6, como tambi�n el entorno de confianza bootstrap al 95%. La curva media mostrada en color azul indica la tendencia vista anteriormente de doble monta�a, donde las cumbres llegan a un valor de 32 �g/m3 alrededor de las 6 a 8 de la ma�ana y un valor de 33 �g/m3 alrededor de las 6 a 8 de la noche, y tomando un valor de 12 �g/m3 en su punto m�s bajo.��

 

La Organizaci�n Mundial de la Salud recomienda una concentraci�n media anual de di�xido de nitr�geno de 40 �g/m3, para que no exista da�o a la salud de las personas. (Organizaci�n Mundial de la Salud, 2021). De acuerdo a la media funcional obtenida en esta investigaci�n, la curva media no sobrepasa este valor, pero se est� muy cerca de este valor medio. La temperatura ambiente y la presi�n atmosf�rica promedio a la que fueron tomados los datos son de 14.86�C y 0.718 atm. respectivamente.

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Conclusiones

 

Los datos del di�xido de nitr�geno (NO2) describieron una tendencia de doble monta�a, la primera teniendo como cumbre un valor aproximado de 60 �g/m3 alrededor de las 7 a 8 de la ma�ana, y la segunda teniendo como cumbre el mismo valor aproximado de 60 �g/m3 alrededor de las 5 a 6 de la tarde.

Se observ� 16 curvas at�picas, estas curvas no concuerdan con la tendencia de la distribuci�n de los datos para el di�xido de nitr�geno; el mes de noviembre de 2020 posee 10 d�as at�picos, pudi�ndose deber posiblemente alguna falla del equipo recolector de datos o alg�n motivo que incremento la concentraci�n de este contaminante.

La curva media para los datos del NO2 lleg� a un valor m�ximo de 32 �g/m3 alrededor de las 6 a 8 de la ma�ana y un valor de 33 �g/m3 alrededor de las 6 a 8 de la noche, y tomando un valor de 12 �g/m3 en su punto m�s bajo. Estos valores no representan da�o para la salud de acuerdo a la Organizaci�n Mundial de la Salud que recomienda una concentraci�n media de 40 �g/m3.

 

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� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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