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An�lisis descriptivo para el ozono registrado en el centro de Quito usando an�lisis funcional

 

Descriptive analysis for the ozone recorded in the center of Quito using functional analysis

 

An�lise descritiva do oz�nio registrado no centro de Quito usando an�lise funcional

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: fabian.allauca@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnica y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de abril de 2023 *Aceptado: 12 de mayo de 2023 * Publicado: �30 de junio de 2023

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.
2. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.
3. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.�������
4. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

Resumen

Objetivo. Analizar descriptivamente los datos del ozono registrados en los a�os 2019 y 2020 en el centro hist�rico de Quito. Materiales y m�todos. Los datos de este contaminante fueron recogidos 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 encontraron 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 de los datos del ozono mostr� una forma de campana, sobre todo a partir de las seis de la ma�ana hasta las seis de la tarde; llegando a tomar valores aproximados de 100 �g/m3 de O3 en la zona m�s alta correspondiente a las 12 horas del mediod�a. Al graficar las curvas medias mensuales para el a�o 2019 se observ� que las medias m�s altas corresponden a los meses de agosto, septiembre y octubre; mientras que el mes con media m�s baja corresponden a enero; coincidiendo de alguna manera con los meses m�s soleados y menos soleados respectivamente. La gr�fica de la curva media con un entorno de confianza Bootstrap al 95% indic� la tendencia vista anteriormente de forma de campana, de seis de la ma�ana a seis de la tarde; donde se pudo apreciar un valor m�ximo de la campana al medio d�a, llegando este a un valor de 55 �g/m3 de O3.

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

 

Abstract

Aim. Descriptively analyze the ozone data recorded in the years 2019 and 2020 in the historic center of Quito. Materials and methods. Data on this pollutant 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 found. The exploratory graph indicated that the behavior of the ozone data showed a bell shape, especially from six in the morning to six in the afternoon; reaching approximate values of 100 �g/m3 of O3 in the highest zone corresponding to 12 noon. When graphing the monthly average curves for the year 2019, it was observed that the highest averages correspond to the months of August, September and October; while the month with the lowest average corresponds to January; coinciding somewhat with the sunniest and less sunny months respectively. The plot of the mean curve with a Bootstrap 95% confidence setting indicated the previously seen bell-shaped trend from 6:00 a.m. to 6:00 p.m.; where it was possible to appreciate a maximum value of the bell at noon, reaching a value of 55 �g/m3 of O3.

Keywords: Air pollution; ozone; statistical software R; fda.usc package; Functional analysis.

 

Resumo

Mirar. Analisar descritivamente os dados de oz�nio registrados nos anos de 2019 e 2020 no centro hist�rico de Quito. Materiais e m�todos. Os dados desse poluente 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 encontrados 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 dos dados de oz�nio apresentou formato de sino, principalmente das seis da manh� �s seis da tarde; atingindo valores aproximados de 100 �g/m3 de O3 na zona mais alta correspondente �s 12 horas. Ao tra�ar as curvas m�dias mensais para o ano de 2019, observou-se que as maiores m�dias correspondem aos meses de agosto, setembro e outubro; enquanto o m�s de menor m�dia corresponde a janeiro; coincidindo um pouco com os meses mais ensolarados e menos ensolarados, respectivamente. O gr�fico da curva m�dia com uma configura��o de confian�a Bootstrap de 95% indicou a tend�ncia em forma de sino vista anteriormente das 6h00 �s 18h00; onde foi poss�vel apreciar um valor m�ximo do sino ao meio-dia, atingindo um valor de 55 �g/m3 de O3.

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

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Introducci�n

El ozono (O3) es una sustancia cuya mol�cula est� compuesta por tres �tomos de ox�geno, formada al disociarse los dos �tomos que componen el gas ox�geno. Cada �tomo de ox�geno liberado se une a otra mol�cula de ox�geno gaseoso (O2), formando mol�culas de ozono (O3). (Torres, 2002)

 

A temperatura y presi�n ambientales, el ozono es un gas que desprende olores fuertes (similar al de los mariscos en estado de descomposici�n avanzado) y generalmente sin coloraci�n, pero en grandes concentraciones puede volverse ligeramente azulado. Si se respira en grandes cantidades puede provocar una irritaci�n en los ojos o la garganta, la cual suele pasar despu�s de respirar aire fresco y rico en ox�geno durante algunos minutos. (Sanchiz, 2014)

 

El l�mite recomendado de exposici�n de ozono es de 0,1 partes por mill�n (ppm), o sea 0,2 miligramos por metro c�bico, calculado como una concentraci�n ponderada de ocho horas, y a corto plazo de 0,3 ppm (0,6 mg. por metro c�bico), como una concentraci�n ponderada de quince minutos. En funci�n de la concentraci�n puede producir diversos efectos en el organismo. Incluso en concentraciones muy bajas, el ozono puede ser nocivo para el tracto respiratorio superior y los pulmones, aun trat�ndose de una exposici�n de corta duraci�n. A concentraciones extremadamente bajas, el ozono puede producir hipersensibilidad bronquial y respuesta inflamatoria en el tejido respiratorio. Adem�s, la exposici�n intermitente puede causar una inflamaci�n en bronquios y pulmones. (Esp�n Mayorga & Veloz Cuich�n, 2013)

 

Al ser el ozono 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 manejado en esta 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 (ozono) 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 ozono para los a�os 2019 y 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

Figura 2: Curvas diarias del ozono sin curvas at�picas

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

 

 

 

 

Valores at�picos funcionales:

 

Figura 3: Funciones at�picas del ozono para los a�os 2019 y 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

 

Curvas medias mensuales:

 

Figura 4: Curvas medias mensuales del ozono para el a�o 2019

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

 

Figura 5: Curvas medias mensuales del ozono 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 ozono 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 ozono correspondiente a los a�os 2019 y 2020, en la cual se aprecia un comportamiento parcialmente en forma acampanada, sobre todo a partir de las seis de la ma�ana hasta las seis de la tarde; llegando a tomar valores aproximados de 100 �g/m3 de O3 en la zona m�s alta correspondiente a las 12 horas del mediod�a.

 

Este comportamiento acampanado concuerda con la distribuci�n en forma de campana que presentan los datos de la radiaci�n solar en la ciudad de Riobamba para el a�o 2011. (Escudero Villa, 2014). Se asume que la radiaci�n solar para la ciudad de Quito sea similar a los registrados en la ciudad de Riobamba por ser ciudades que est�n bajo similares condiciones de altura. Esta coincidencia se da puesto que el ozono se forma por la reacci�n con la luz solar (fotoqu�mica) de contaminantes como los �xidos de nitr�geno (NOx) procedentes de las emisiones de veh�culos o la industria y los compuestos org�nicos vol�tiles (COV) emitidos por los veh�culos, los disolventes y la industria. Los niveles de ozono m�s elevados se registran durante los per�odos de tiempo soleado. (Organizaci�n Mundial de la Salud, 2021).�

 

Para tener una mayor visualizaci�n de la tendencia de la distribuci�n de los datos funcionales para el ozono, 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 acampanada que est�n tomando los datos, presentando su cumbre alrededor de las 12 del mediod�a.

 

 

Valores at�picos funcionales:

 

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

���������� 17 de julio de 2020

���������� 6, 10, 14 y 28 de septiembre de 2020

���������� 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 y 13 de octubre de 2020

���������� 5, 8, 9 y 15 de noviembre de 2020

 

La Figura 3, muestra 18 curvas de los d�as at�picos, estas curvas no concuerdan con la tendencia de la distribuci�n de los datos para el ozono, 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 octubre de 2020 posee 9 d�as at�picos, al igual que septiembre y noviembre de 2020 presentan 4 d�as at�picos cada uno de estos meses; 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 ozono 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 agosto, septiembre y octubre; mientras que el mes con media m�s baja corresponden a enero; coincidiendo de alguna manera con los meses m�s soleados y menos soleados respectivamente.

 

En la Figura 5 se aprecia un comportamiento similar al de la Figura 4, presentando curvas medias altas para los meses de agosto, septiembre y una media m�s baja para el mes de enero; las curvas medias en general del a�o 2020 para el ozono son m�s altas en comparaci�n con las del a�o 2019, d�ndonos un indicio que para el a�o 2020 la radiaci�n solar fue mayor, esto se puede decir, ya que el ozono se forma por la reacci�n de la luz solar.

 

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

 

La media funcional para los datos del ozono 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 por los datos de este contaminante, siendo esta de forma acampanada, de seis de la ma�ana a seis de la tarde; donde se puede apreciar un valor m�ximo de la campana al medio d�a, llegando este a un valor de 55 �g/m3 de O3.

 

La Organizaci�n Mundial de la Salud recomienda una concentraci�n media en 8 horas de exposici�n de 100 �g/m3 de O3, 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. 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.

 

CONCLUSIONES

 

• Los datos del ozono (O3) describieron una tendencia acampanada, sobre todo a partir de las seis de la ma�ana hasta las seis de la tarde; llegando a tomar valores aproximados de 100 �g/m3 de O3 en la zona m�s alta correspondiente a las 12 horas del mediod�a.
• Se observ� 18 curvas at�picas, estas curvas no concuerdan con la tendencia de la distribuci�n de los datos para el ozono; el mes de octubre de 2020 posee 9 d�as at�picos, al igual que septiembre y noviembre de 2020 presentan 4 d�as at�picos cada uno de estos meses, 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 O3 present� una forma de campana, llegando a un valor m�ximo de 55 �g/m3 alrededor de las 12 del mediod�a. 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 100 �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)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).