Sistema portátil permitiría ampliar el monitoreo de la calidad del aire en Colombia

Aunque Colombia cuenta con regulación ambiental y algunos sistemas de medición de la calidad del aire, el monitoreo sigue siendo limitado y desigual. Las estaciones existentes se concentran en grandes ciudades como Bogotá, Medellín y Cali, mientras que municipios intermedios o pequeños carecen de información continua sobre contaminantes atmosféricos, pese a enfrentar riesgos asociados con el tráfico vehicular, la actividad industrial o fenómenos naturales como la actividad volcánica.

Esta brecha fue una de las principales motivaciones del trabajo del físico Luis Andrés Santacruz Almeida, doctor en Ciencias – Física de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín, quien identificó que el mayor obstáculo no es la ausencia de normas sino la falta de herramientas que permitan medir de forma continua, flexible y en distintos territorios la atmósfera baja, justo en donde se concentran los contaminantes que respiramos a diario.

Entre los contaminantes atmosféricos se encuentran el material particulado, un conjunto de partículas microscópicas en suspensión que provienen del tráfico vehicular, las quemas y algunas actividades industriales, entre otras fuentes; el ozono troposférico, un gas que se forma a nivel del suelo a partir de reacciones químicas entre contaminantes y que, a diferencia del ozono de la estratosfera, resulta nocivo para la salud; y los gases producto de procesos de la combustión, como los óxidos de nitrógeno y el dióxido de carbono. Por ello su medición constante es fundamental para tomar decisiones ambientales y de salud pública.

Un LiDAR diferente, pensado para contextos reales

El aporte central de la investigación del doctor Santacruz, profesor de la Universidad de Nariño, fue el diseño y la construcción de un sistema LiDAR (Light Detection and Ranging) en configuración Scheimpflug (SLiDAR), una tecnología que permite estudiar la atmósfera a partir de la interacción de la luz láser con partículas y gases presentes en el aire.

“La configuración Scheimpflug corresponde a una disposición geométrica especial de los elementos ópticos que permite mantener enfocado todo el trayecto del haz láser, incluso a distancias cortas y medias, lo que reduce la complejidad del hardware frente a un LiDAR convencional”, explica el experto.

A diferencia de los sistemas tradicionales —que pueden costar entre 1.000 y 1.500 millones de pesos, requieren infraestructura fija y solo existen dos en el país—, este sistema fue diseñado y construido con recursos disponibles en laboratorios universitarios y adaptado a las limitaciones técnicas y presupuestales de una universidad pública.

“En el mundo existen muy pocos sistemas SLiDAR, desarrollados principalmente en países como Suecia, China, Estados Unidos y Ecuador, lo que convierte este prototipo en una contribución inédita para la región”, destaca el investigador.

El sistema construido tiene un costo aproximado de 100 millones de pesos, es desarmable, se puede transportar a distintos puntos de medición y operar directamente en campo. Además de su bajo costo, el sistema destaca por su diseño móvil y su facilidad de montaje, y puede realizar mediciones tanto a lo largo del entorno —es decir desplazando el haz láser para explorar distintas direcciones y distancias— como verticalmente, analizando una columna de aire desde el suelo hacia arriba, lo que permite detectar y seguir fuentes de emanación de contaminantes en tiempo real.

El desarrollo del sistema implicó un proceso riguroso de diseño, prueba y ajuste que incluyó la integración de 3 telescopios astronómicos sencillos, un láser tipo diodo de alta potencia que opera en el infrarrojo cercano, y cámaras CCD y CMOS, utilizadas como sensores para captar y registrar la señal de luz que regresa desde la atmósfera. A esto se sumaron un controlador láser y un software de adquisición de datos –desarrollado específicamente para este prototipo–, encargado de procesar la información obtenida durante las mediciones.

Cómo funciona y por qué es útil

“El SLiDAR emite pulsos de luz láser hacia la atmósfera y analiza la señal que regresa tras interactuar con partículas, gases y aerosoles. Esa señal contiene información sobre la densidad del material particulado y otros parámetros físicos esenciales como el coeficiente de extinción, ampliamente utilizado para evaluar contaminación atmosférica”, explica el doctor Santacruz.

A diferencia de los métodos que requieren toma de muestras y análisis posteriores en laboratorio, este sistema permite obtener datos en tiempo real sin intervenir directamente el entorno, lo que facilita mediciones continuas, rápidas y con alta resolución espacial, convirtiéndolo en una herramienta ágil para la vigilancia ambiental.

Pruebas en campo confirman su potencial para el monitoreo ambiental

El equipo se probó en las instalaciones de la Universidad del Valle, en donde se obtuvieron perfiles atmosféricos, es decir mediciones que muestran cómo se distribuyen los contaminantes en el aire a distintas distancias y alturas. Estos resultados fueron coherentes con los reportados previamente en la literatura científica y con estudios realizados en la región mediante otros sistemas de medición como la DOAS (espectroscopía de absorción óptica diferencial), una técnica ampliamente utilizada para identificar y cuantificar gases contaminantes en la atmósfera.

Las mediciones mostraron que los valores de material particulado y otros parámetros físicos coincidían con los niveles esperados para la zona, y variaban según las condiciones ambientales y la actividad humana. Parámetros como el coeficiente de extinción —una medida que refleja cuántas partículas hay en el aire, al calcular cuánto se debilita la luz al atravesarlo— se ubicaron dentro de los mismos órdenes de magnitud reportados en investigaciones previas, lo que respalda la confiabilidad del dispositivo.

Las mediciones también reflejaron variaciones claras según el contexto: en horarios de alto tráfico vehicular se evidenció mayor absorción de material particulado, mientras que en horas de menor actividad las señales disminuyeron, mostrando una relación directa entre los datos obtenidos y las condiciones reales del entorno.

Aunque el prototipo se adaptó para estudios atmosféricos, su diseño permite reconfigurarlo para otras aplicaciones; por ejemplo en algunos países se han utilizado tecnologías similares para estudiar insectos en vuelo, apoyar investigaciones en agricultura, evaluar impactos de quemas de biomasa y analizar emisiones industriales, incluso permiten estimar densidades de insectos y patrones de movimiento, lo que abre posibilidades en ecología y control de plagas.

En Colombia el dispositivo podría apoyar a las autoridades ambientales en la vigilancia de fuentes contaminantes móviles como chimeneas industriales, quemas agrícolas o corredores viales con alta congestión, así como abrir nuevas líneas de investigación en regiones con actividad volcánica, como el suroccidente del país, en donde los volcanes activos emiten gases y partículas que hoy no se monitorean sistemáticamente con este tipo de tecnología.

Trabajo construido en red

La investigación del profesor Santacruz se desarrolló gracias a la articulación entre la UNAL, la Universidad del Valle y la Universidad de Nariño. Mientras la formación doctoral y los fundamentos en física atmosférica se consolidaron en la UNAL, el diseño, la construcción y las pruebas del sistema se realizaron en los laboratorios de la Universidad del Valle, con apoyo técnico en óptica, electrónica y software. Por su parte la Universidad de Nariño respaldó el proceso mediante la comisión de estudios que permitieron desarrollar el prototipo.

El resultado es un dispositivo funcional, replicable y adaptable, que demuestra que desde la universidad pública es posible desarrollar tecnología de alto nivel para responder a problemas ambientales urgentes del país.