Análisis preliminar de la intensidad de descargas eléctricas en zonas industriales de Mariel, la Habana y Matanzas

2.1 Caracterización climática de las zonas de estudio.

Posee un clima tropical que es templado debido a la posición de la isla dentro del cinturón de los vientos alisios y por las cálidas corrientes marinas. Las corrientes del Golfo causan una gran influencia oceánica que se acentúa en las costas de esta región. Las precipitaciones son abundantes en octubre y septiembre y bastante escasas entre marzo y abril. Las temperaturas medias se comportan cercanas a los 25ºC, la humedad relativa es generalmente alta, con valores que oscilan entre el 75% y el 95%; por su posición geográfica se impone la presencia de las brisas marinas en el litoral norte, la confluencia de las mismas, unido al calentamiento diurno puede dar lugar a la ocurrencia de tormentas eléctricas en localidades del interior durante la tarde. En la temporada de junio a noviembre puede verse afectada por influencia de ciclones tropicales.

El estudio de la densidad de descargas eléctricas, pese al gran desarrollo científico-tecnológico en la actualidad, sigue siendo un tema joven aún, pero de gran interés para la meteorología y el país en general, debido al impacto y a las consecuencias que estas pueden ocasionar, se escoge esta zona para tomar provecho de las características fiscas y geográficas de esta región, además del desarrollo meteorológico alcanzado en esta provincia, considerando que los resultados que aquí se obtengan servirían como base para estudios futuros en otras regiones del país.

2.2 Datos utilizados

Para el desarrollo del trabajo se utilizaron los datos obtenidos con la estación receptora de descargas eléctricas Earth Networks (Figura 2.2) ubicada en el Instituto de Meteorología Casablanca, la que ayudará a dar respuestas a la hipótesis de este trabajo.

Los datos obtenidos de la dirección web https://sfericmaps.enterprise.earthnetworks.com/maps en formato CSV durante el período 2018-2022.

Se analizó el material particulado PM2.5 y PM10, en los meses que mostraron tendencia creciente en los días con tormentas eléctricas como fue enero y agosto del 2022. Estos datos fueron obtenidos de las mediciones que han desarrollado especialistas de la Empresa GAMMA en la región de estudio.

Se analizaron datos de estabilidad atmosférica, extraídos de https://www.ready.noaa.gov/READYmetus.php para verificar la presencia de capas de inversión y como consecuencia su relación con la dispersión de contaminantes.

2.3 Procesamiento de los datos

Para el procesamiento de los datos se utilizaron algoritmos de programación de C++ que permitieron extraer las descargas eléctricas ocurridas en la Habana para cada uno de los meses analizados. Fue utilizado el compilador de Windows CodeBlocks (Fig. 2.4)

2.4 Análisis de correlación

Para determinar la relación existente entre la intensidad de la descarga y la concentración de contaminantes, se utilizó la correlación lineal de Pearson, que se muestra en la ecuación 2.1 $r=\frac{n\sum xy-\left(\sum x\right)\left(\sum y\right)}{\sqrt{n\left({\sum }_{x}2\right)-({\sum x)}^2}\sqrt{n\left({\sum }_{y}2\right)-(\sum y{)}^2}}$ . En dicha expresión los valores de (x) corresponden a los datos de intensidad, (y) con los contaminantes y (n) al tamaño de la muestra.

Se emplea la correlación, ya que esta expresa un grado de dependencia entre las variables de estudio. La correlación lineal intenta aproximar esta dependencia a una recta en la que cuanto más se acerque la nube de puntos, más significativa será dicha correlación.

En dependencia de la pendiente de la recta a la que se aproximen los puntos, la correlación lineal puede ser:

3.1 Comportamiento de los días con tormentas en la región de estudio. (Zonas Industriales de Mariel, La Habana y Matanzas).

Antes de comenzar el estudio de la intensidad, se determinaron los días con tormenta y la tendencia que han experimentado en la serie de datos. Los datos se dividieron en periodo poco lluvioso (PPLL) (Fig.3.1 a, b, c) y periodo lluvioso (PLL) (Fig.3.1 d, e, f), debido a la variabilidad de los sistemas que intervienen en las condiciones meteorológicas de la región. Obteniéndose para el caso del PPLL, que en el periodo analizado existió una tendencia creciente en los meses de enero, marzo, abril y noviembre con un promedio aproximado a los 4 días, como muestra la (Fig.3.1 a, b, c). La tendencia más significativa se encontró en el mes de enero y diciembre, en las tres regiones estudiadas estos resultados están en correspondencia con el incremento de la temperatura media del aire, como resultado de la disminución de masas de aire frías en la región de estudio.

Para el caso del periodo lluvioso (Fig.3.1 d, e, f), de igual manera la tendencia creciente en los días con tormentas no fue observada en todos los meses, si no que se concentró en junio, julio, agosto y octubre con un promedio de 18 días aproximadamente. Los mayores crecimientos fueron observados hacia la región de Matanzas. Estos resultados están en correspondencia con otros estudios desarrollados por García et al., 2018García-Santos, Y., & Álvarez-Escudero, L. (2018). Climatología de las tormentas eléctricas determinadas a partir del código de estado de tiempo pasado. Revista Cubana de Meteorología, 24(2), 201-215. . En el resto de los meses, aunque no se muestra una tendencia creciente de la actividad, si se puede observar una cifra significativa de días con tormenta, respondiendo a esto a las condiciones propias del período.

3.2 Comportamiento mensual de la intensidad de descargas atendiendo a la clasificación realizada.

Los gráficos de la Fig. (3.2) muestran el comportamiento mensual en el período de estudio de la intensidad de descargas atendiendo a la clasificación que se presenta en la (Tabla 3.1) como parte del trabajo.

El análisis de la Zona Industrial Mariel [Fig. 3.2(a, b, c)] mostró que la mayor concentración de la actividad se correspondía a descargas con amperajes inferiores a 50 (kA), llegando a alcanzar picos de aproximadamente 3250 flashes débiles, en cuanto al resto de las clasificaciones se observan entre 2 y hasta 10 descargas moderadas y fuertes respectivamente para algunos meses. Los meses de mayor actividad se corresponden con julio agosto y septiembre, mientras que las mayores intensidades son notorias en los meses de abril, junio y agosto y que están relacionados con los procesos típicos que se generan en estos meses, en el caso de abril y junio, aun la troposfera media y alta está lo suficientemente fría y los niveles bajos más calientes por lo que se generan fuertes corrientes ascendentes que llegan a desencadenar potentes cumulonimbos, resultados estos que concuerdan con los descrito por (Pozo et al., 2004Pozo, D. R., Martínez, D., Marín, J. C., Borrajero, I., & Bezanilla, A. (2004). Estudio de la influencia de la cizalladura vertical del viento en los altos niveles en la formación y desarrollo de una tormenta ocurrida el día 21 de julio de 2001 en Nuevitas, Camagüey. Revista Cubana de Meteorología, 11(2).). Para el mes de agosto sucede similar a lo descrito con anterioridad, sin embargo, el distintivo en este mes, está relacionado con la presencia de bajas frías superiores que garantizan aire frio en los niveles más altos de la troposfera

Para la Zona Industrial de la Habana [Fig. 3.2(d, e, f)] se obtuvo que el comportamiento fue similar, notándose actividad en todo el rango de la clasificación para el mes de septiembre, siendo este el mes de mayor intensidad en esta región, con valores máximos de 1350, 12 y 2 para descargas débiles moderadas y fuertes respectivamente, coincidiendo con el mes de mayor intensidad para cada uno de los casos.

En el caso de la Zona Industrial de Matanzas [Fig. 3.2(g, h, i)] no difiere significativamente de los resultados obtenidos en el resto de las regiones, siendo relevante el mes de julio con los valores más altos de acuerdo al rango utilizado. La actividad más significativa como en el resto de las regiones se reflejó en descargas de amperajes ínfimos a 50 (kA). En esta zona es relevante además como ha ido disminuyendo la actividad eléctrica con amperajes superiores a los 100 (kA). Llegando a no registrarse descargas de esta clasificación en los últimos años.

3.3 Comportamiento anual de la intensidad de descargas eléctricas.

El comportamiento anual de la intensidad de descargas muestra, como la mayor densidad de la actividad eléctrica se encuentra marcada por amperajes inferiores a 50 (kA), siendo esta la más relevante, como muestran los gráficos de la (Fig. 3.3). Se registran flashes con estas características en todos los años del período de estudio, no así para la actividad moderada y fuerte. Los años que muestran mayores actividades eléctricas son 2021 y 2022 mientras que los de mayor intensidad son 2018, 2019 y 2020.

La actividad eléctrica más notable se corresponde con la zona industrial de la Habana [Fig.3.3 (a)] teniendo en cuanta la cantidad total de descargas en los períodos, llegando a alcanzar cifras superiores a 5000 flashes.

La mayor intensidad se observó en la zona industrial de Matanzas [Fig.3.3 (c)], registrándose la mayor cantidad de descargas, superiores a 100 (kA). También es notable el incremento de la actividad eléctrica clasificada como débil, superando los 1000 flashes para cada región en cada uno de los años analizados, exceptuando 2018 en la zona industrial de Matanzas, donde fue más significativa la actividad eléctrica moderada y fuerte. De acuerdo a la clasificación utilizada, solo muestra tendencia creciente en el período, la actividad eléctrica débil.

3.4 Relación entre el material particulado PM 2.5 y PM 10 con la cantidad de rayos.

En el trabajo se presentan los resultados para el mes de enero y agosto [Fig. 3.4 (a, b)], considerando que mostraron un incremento tanto en los días con tormentas como en la intensidad. En este sentido se aprecia que los días con mayor actividad de rayos coinciden con días en los que las concentraciones de PM2.5 y PM10, fueron elevadas figura 3.4, resultados que fueron similares a los encontrados por Kar et al., 2014Kar, S. K., & Liou, Y. A. (2014, September). Analysis of cloud-to-ground lightning and its relation with surface pollutants over Taipei, Taiwan. In Annales Geophysicae (Vol. 32, No. 9, pp. 1085-1092). Copernicus GmbH. en la región de Taipéi de China y el trabajo de Gharaylou et al., 2021Gharaylou, M., Sadr, D. P., Aliakbaribidokhti, A., & Mahmoudian, A. (2021). Investigation of the relationship between air pollution and lightning during thunderstorm events of the years 2009-2013 in Tehran. en Teherán.

Sin embargo, es válido decir que días con elevada concentración de aerosoles, no significa que se produzcan rayos, estos a su vez dependen de que las condiciones meteorológicas sean favorables para ellos, muestra de esto es lo ocurrido los primeros cinco días del mes de enero 2022 [Fig. 3.4 (a)], donde se aprecia un máximo de aerosoles, sin embargo, las condiciones meteorológicas no eran favorables para la ocurrencia de tormentas eléctricas. Desde que fue instala la estación detectora de rayos en Casablanca, es primera vez que se desarrolla una relación de este tipo.

Los resultados descritos con anterioridad guardan relación con la estratificación atmosférica. En el caso del mes de enero, se observa un pico de contaminación que coincide con gran actividad eléctrica el día 17, la (Fig. 3.5 (a)) muestra el sondeo correspondiente con las 12:00 UTC, mostrando condiciones de estabilidad atmosférica correspondientes a una inversión por subsidencia próxima a la superficie entre 950-700 hPa.

El estudio de Carrasco, (2018)Carrasco Carrasco, P. D. (2018). Efecto de la estratificación atmosférica en la distribución vertical de aerosoles segregados por tamaño en la atmósfera de Santiago. muestra elementos que relacionan las condiciones de la atmósfera en presencia de aerosoles y la estabilidad atmosférica. En este sentido cabe resaltar la relación entre las concentraciones de material particulado y condiciones meteorológicas, que favorecieron la actividad eléctrica.

La segunda imagen (Fig. 3.5 (b))muestra el sondeo del día 31 de agosto de 2022. Analizando los resultados obtenidos en el epígrafe 3.4, en correspondencia con el diagrama termodinámico, se observa a una mayor altura la inversión por subsidencia ubicada por encima de los 600 hPa, coincidiendo en este caso con la isoterma 0°C, condiciones que son típicas de esa época del año.

Este comportamiento favorece un mayor crecimiento de las nubes conveticas, tal como describe (Martín et. al 1992Martin, D., Georgescu, N., Radu, A., & Cojocaru, G. (1992). Electronic measurement system for pulse generators supplying industrial pollution abatement electro-filters.), quien expone que las nubes con desarrollo vertical por encima del nivel de congelación (isoterma 0°C) son las que producen actividad eléctrica más significativas. Además, se observa nuevamente la coincidencia de un pico de máxima actividad eléctrica y concentraciones de aerosoles.

Por lo antes expresado se puede concluir que, en la región de estudio, bajo condiciones de elevadas concentraciones de material particulado en escenarios meteorológicos favorables para la actividad eléctrica, esta última se incrementa de manera significativa.