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Tesis:

Análisis de datos satelitales de concentración de NO2 en ambientes urbanos. Aplicación a ciudades de España

  • Autor: MORILLAS LÓPEZ, Carlos

  • Título: Análisis de datos satelitales de concentración de NO2 en ambientes urbanos. Aplicación a ciudades de España

  • Fecha: 2025

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S.I. EN TOPOGRAFIA, GEODESIA Y CARTOGRAFIA

  • Departamentos: INGENIERIA Y MORFOLOGIA DEL TERRENO

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/87496/

  • Director/a 1º: MARTÍNEZ DELGADO, Sara

  • Resumen: El cambio climático se ha intensificado en la región mediterránea, afectando especialmente a las ciudades, que juegan un papel crucial en la mitigación y adaptación debido a su alta concentración de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). La contaminación atmosférica, en particular los precursores del ozono (O3) como los compuestos orgánicos volátiles (COV), el monóxido de carbono (CO) y los óxidos de nitrógeno (NOx), agrava esta situación al tener un impacto negativo tanto en la salud humana como en los ecosistemas. Desde finales del siglo pasado, se han implementado marcos legales internacionales para controlar las emisiones y concentraciones de estos contaminantes, apoyados por redes de monitoreo atmosférico en ciudades densamente pobladas. La teledetección atmosférica, que utiliza la técnica de espectroscopía de absorción óptica diferencial (DOAS), ha evolucionado con el tiempo, destacando el uso de satélites como el Sentinel-5P con su instrumento TROPOMI, capaz de ofrecer imágenes detalladas de NO2, un contaminante clave debido a su capacidad para acumularse cerca de la superficie terrestre y su rápida extinción. El análisis de los datos satelitales de NO2 ha demostrado ser particularmente útil en estudios recientes realizados en Madrid y otras grandes ciudades de España, donde la contaminación por NO2 es una preocupación significativa. Madrid y Barcelona, en particular, han sido señaladas como las ciudades con más muertes evitables por exposición a NO2 en Europa. A pesar de esto, muchas localidades españolas carecen de la infraestructura necesaria para un seguimiento adecuado de la calidad del aire. La investigación presentada en este contexto se centra en evaluar cómo los datos de Sentinel-5P pueden ayudar a caracterizar la distribución espacial y temporal de la contaminación por NO2 en las grandes ciudades de España, y en qué medida estos datos pueden ser útiles para evaluar la efectividad de las políticas de mitigación. Además, se estudia la influencia de factores meteorológicos en la concentración y distribución del NO2, lo que es crucial para mejorar los modelos de estimación de la calidad del aire. Los resultados de la investigación, que incluyen tres publicaciones científicas en colaboración con universidades internacionales, destacan varias conclusiones importantes. En primer lugar, se observó una fuerte correlación entre las mediciones satelitales y las in situ en entornos urbanos y suburbanos de Madrid, aunque esta correlación disminuye en áreas rurales. Los datos satelitales también revelaron patrones estacionales en la acumulación de NO2, con concentraciones más altas en los meses fríos y variaciones notables entre días laborables y fines de semana. Además, se identificaron fuentes específicas de emisión, como el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas. En el segundo estudio, se analizó el impacto de la implementación de la zona de bajas emisiones (ZBE) de Madrid Central y la pandemia de COVID-19, encontrando consistencia entre las observaciones satelitales y las mediciones en superficie. Estos hallazgos subrayan la utilidad de la teledetección como herramienta auxiliar, aunque con limitaciones. El tercer estudio amplió el análisis a Barcelona y Valencia, examinando la influencia de factores meteorológicos como la velocidad del viento, la temperatura y la radiación solar en la concentración de NO2. Se identificaron las variables más influyentes en cada ciudad, lo que permitirá desarrollar modelos de estimación de calidad del aire basados en datos satelitales. En el futuro, se espera extrapolar estos modelos a otras ciudades españolas y mejorar la tecnología con datos de los futuros satélites Sentinel-5 y Sentinel-4, lo que facilitará un monitoreo continuo del NO2 y contribuirá a la creación de inventarios de GEI más precisos. ABSTRACT Climate change has intensified in the Mediterranean region, particularly affecting cities, which play a crucial role in mitigation and adaptation due to their high concentration of greenhouse gas (GHG) emissions. Air pollution, especially ozone (O3) precursors such as volatile organic compounds (VOCs), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NOx), exacerbates this situation by having a negative impact on both human health and ecosystems. Since the end of the last century, international legal frameworks have been implemented to control the emissions and concentrations of these pollutants, supported by atmospheric monitoring networks in densely populated cities. Atmospheric remote sensing, utilizing the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) technique, has evolved over time, with satellite use becoming more prominent. For instance, the Sentinel-5P satellite with its TROPOMI instrument can provide detailed images of NO2, a key pollutant due to its ability to accumulate near the Earth's surface and its rapid decay. The analysis of satellite NO2 data has proven particularly useful in recent studies conducted in Madrid and other major cities in Spain, where NO2 pollution is a significant concern. Madrid and Barcelona, in particular, have been identified as the cities with the most avoidable deaths due to NO2 exposure in Europe. Despite this, many Spanish localities lack the necessary infrastructure for adequate air quality monitoring. The research presented in this context focuses on evaluating how Sentinel-5P data can help characterize the spatial and temporal distribution of NO2 pollution in large Spanish cities and to what extent these data can be useful for assessing the effectiveness of mitigation policies. Additionally, the influence of meteorological factors on the concentration and distribution of NO2 is studied, which is crucial for improving air quality estimation models. The research results, which include three scientific publications in collaboration with international universities, highlight several important conclusions. Firstly, a strong correlation was observed between satellite and in situ measurements in urban and suburban environments of Madrid, although this correlation decreases in rural areas. Satellite data also revealed seasonal patterns in NO2 accumulation, with higher concentrations in the colder months and notable variations between weekdays and weekends. Specific emission sources, such as the Adolfo Suárez Madrid-Barajas Airport, were also identified. The second study analyzed the impact of the implementation of the low-emission zone (LEZ) of Madrid Central and the COVID-19 pandemic, finding consistency between satellite observations and surface measurements. These findings underscore the usefulness of remote sensing as an auxiliary tool, albeit with limitations. The third study expanded the analysis to Barcelona and Valencia, examining the influence of meteorological factors such as wind speed, temperature, and solar radiation on NO2 concentration. The most influential variables in each city were identified, which will allow for the development of air quality estimation models based on satellite data. In the future, it is expected to extrapolate these models to other Spanish cities and improve technology with data from future Sentinel-5 and Sentinel-4 satellites, which will facilitate continuous NO2 monitoring and contribute to the creation of more accurate GHG inventories.