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

 

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

 

An�lise descritiva para di�xido de enxofre 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

El objetivo del estudio es analizar los datos funcionales del di�xido de azufre medidos en el a�o 2019 y 2020 en el centro hist�rico de Quito; para este fin se utiliz� 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. Se obtuvieron gr�ficos exploratorios, curvas at�picas, gr�ficas mensuales, gr�ficas con curvas medias y bandas de confianza. Los resultados obtenidos del estudio indicaron que el comportamiento del di�xido de azufre es irregular a lo largo del d�a, present�ndose valores m�s altos alrededor de las 07:00 llegando a alcanzar aproximadamente los 20 �g/m3. Para poder observar este comportamiento, se tuvo que eliminar las curvas at�picas; encontr�ndose 26 curvas at�picas. Al graficar las curvas medias mensuales para el a�o 2019 se observ� que las medias m�s altas corresponden a los meses de enero, febrero, marzo, abril y mayo; mientras que el mes con media m�s baja corresponden al mes de agosto. La gr�fica de la curva media con un entorno de confianza bootstrap al 95% indic� una tendencia irregular de este contaminante a lo largo del d�a, presentando un valor m�ximo de 5 �g/m3 a las 07:00.

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

Summary

The objective of the study is to analyze the functional data of sulfur dioxide measured in 2019 and 2020 in the historic center of Quito; For this purpose, the statistical software RStudio was used, with the package "fda.usc" (Analysis of functional data and utilities for statistical computing) version 2.0.2. Exploratory graphs, atypical curves, monthly graphs, graphs with mean curves and confidence bands were obtained. The results obtained from the study indicated that the behavior of sulfur dioxide is irregular throughout the day, presenting higher values around 07:00, reaching approximately 20 �g/m3. In order to observe this behavior, the atypical curves had to be eliminated; finding 26 atypical curves. When graphing the monthly average curves for the year 2019, it was observed that the highest averages correspond to the months of January, February, March, April and May; while the month with the lowest average corresponds to the month of August. The graph of the mean curve with a 95% bootstrap confidence setting indicated an irregular trend of this pollutant throughout the day, presenting a maximum value of 5 �g/m3 at 07:00.

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

Resumo

O objetivo do estudo � analisar os dados funcionais do di�xido de enxofre medidos em 2019 e 2020 no centro hist�rico de Quito; Para tanto, foi utilizado o software estat�stico RStudio, com o pacote "fda.usc" (An�lise de dados funcionais e utilit�rios para computa��o estat�stica) vers�o 2.0.2. Foram obtidos gr�ficos explorat�rios, curvas at�picas, gr�ficos mensais, gr�ficos com curvas m�dias e faixas de confian�a. Os resultados obtidos com o estudo indicaram que o comportamento do di�xido de enxofre � irregular ao longo do dia, apresentando valores mais elevados por volta das 07h00, atingindo aproximadamente 20 �g/m3. Para observar esse comportamento, as curvas at�picas tiveram que ser eliminadas; encontrando 26 curvas at�picas. Ao tra�ar as curvas m�dias mensais para o ano de 2019, observou-se que as maiores m�dias correspondem aos meses de janeiro, fevereiro, mar�o, abril e maio; enquanto o m�s com menor m�dia corresponde ao m�s de agosto. O gr�fico da curva m�dia com 95% de confian�a de bootstrap indicou uma tend�ncia irregular deste poluente ao longo do dia, apresentando um valor m�ximo de 5 �g/m3 �s 07:00.

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

 

Introducci�n

Las ciudades modernas medianamente y altamente pobladas sufren por contaminaci�n proveniente de los veh�culos automotores, entre los principales gases que emanan los tubos de escape de veh�culos con motores de combusti�n interna se encuentra el di�xido de azufre.

 

El di�xido de azufre es el principal causante de la lluvia �cida ya que en la atm�sfera es transformado en �cido sulf�rico. Es liberado en muchos procesos de combusti�n ya que los combustibles como el carb�n, el petr�leo, el di�sel o el gas natural contienen ciertas cantidades de compuestos azufrados. Por estas razones se intenta eliminar estos compuestos antes de su combusti�n por ejemplo mediante la hidrodesulfuraci�n en los derivados del petr�leo o con lavados del gas natural haci�ndolo m�s dulce (Ministerio de Ambiente de Colombia , 2021).

 

En el inventario de emisiones del Distrito Metropolitano de Quito 2003 indica que se generaron 6 009 toneladas anuales de di�xido de azufre, el 56% de las cuales tuvieron su origen en las fuentes m�viles, principalmente a di�sel (40%); las fuentes fijas contribuyeron con el 44%, la mayor parte de lo cual (25,7%) corresponde a las centrales de generaci�n termoel�ctrica (Corporaci�n para el Mejoramiento del Aire de Quito, 2006).

 

Al ser el di�xido de azufre un contaminante peligroso para la salud de las personas, a este gas hay que monitorearlo diariamente para que este no exceda los l�mites permisibles impuestos por la Organizaci�n Mundial de la Salud; para este fin el Municipio del Distrito Metropolitano de Quito crea la Red Metropolitana de Monitoreo Atmosf�rico (REMMAQ) para registrar y monitorear los contaminantes del aire presentes en el distrito.

 

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 R, 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 azufre) 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 azufre para los a�os 2019 y 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

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

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

Valores at�picos funcionales:

 

Figura 3: Funciones at�picas del di�xido de azufre 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 azufre 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 azufre 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 azufre (SO2) describieron un comportamiento casi regular a lo largo del d�a, se visualiz� picos alrededor de las 07:00 llegando a alcanzar aproximadamente los 20 �g/m3.

Se observ� 26 curvas at�picas, estas curvas no concuerdan con la tendencia de la distribuci�n de los datos para el di�xido de azufre; el mes de noviembre de 2020 posee 13 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 SO2 lleg� a un valor m�ximo de 5 �g/m3 a las 07:00 y un valor aproximado de 2.6 �g/m3 entre las 19:00 y 21:00. 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 20 �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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