Wolfram proimca prodeca 2013 publi v3 by Elian Wolfram

Contaminación Atmosférica e Hídrica en Argentina

ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA NUBOSIDAD SOBRE LA RADIACIÓN SOLAR VISIBLE Y UV EN EL OBSERVATORIO ATMOSFÉRICO DE LA PATAGONIA AUSTRAL PROIMCA – PRODECA 2013 Wolfram, Elian A. 1,2, Salvador, Jacobo 1,3, Orte, Facundo 1, Bulnes, Daniela 1, D’Elia, Raul 1, Vasquez, Pablo 2, Quel, Eduardo 1 1: Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CEILAP-UNIDEF (MINDEFCONICET), UMI-IFAECI-CNRS-3351, Villa Martelli, Argentina Juan B. de la Salle 4397, Villa Martelli, Buenos Aires e-mail: ewolfram@citedef.gob.ar, web: http://www.division-lidar.com.ar

2: Universidad Tecnológica Nacional, FRBA Medrano 951, CABA, Buenos Aires. 3: UNPA, Unidad Académica Río Gallegos, Argentina email: jsalvador@citedef.gob.ar

Resumen. A tiempos cortos (minutos u horas) las nubes son el principal modulador de la radiación solar (UV y Visible) que llega a la superficie del planeta. Mientras que las nubes en general disminuyen la radiación directa, pueden producir un aumento en la cantidad de radiaciones difusas, y como consecuencia la radiación que llega a la superficie terrestre se incrementa con respecto a un escenario de cielo despejado equivalente. La División Lidar CEILAP (Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones) ha establecido el Observatorio Atmosférico de la Patagonia Austral (OAPA), un sitio de teledetección atmosférica cerca de la ciudad de Río Gallegos (51 º 55'S, 69 º 14'W). En este artículo se investigó el impacto de las nubes sobre la radiación ultravioleta (UV) y visible utilizando mediciones desde tierra de los diferentes radiómetros de banda angosta y ancha operativos en este sitio. Se implementó el uso del factor de modificación por nubes (CMF) que es el cociente entre el valor medido de la radiación solar y el respectivo valor modelado que representa la condición de cielo despejado. Se caracterizaron tanto las atenuaciones como los incrementos de la radiación UV y visible a nivel de la superficie, registrándose realces de hasta un 30% en cielos parcialmente nublados. Palabras clave: Radiación UV, radiación visible, cobertura nubosa, sensado remoto.

Influencia de la nubosidad en la radiación solar

Wolfram et al.

INTRODUCCIÓN

Hoy en día la observación remota de la atmósfera, tanto desde el espacio con los instrumentos satelitales, como desde tierra con instrumentos sensibles a la radiación solar visible (Vis) y ultravioleta (UV) proporcionan las herramientas más avanzadas que tenemos para determinar y cuantificar la cobertura nubosa y los niveles de radiación en superficie. Sin embargo la interacción entre ambas y el impacto que las nubes desempeñan en el balance energético es tema de amplio y constante estudio[1]. Dado que el cambio climático que sufre nuestro planeta [2] podría afectar la nubosidad y dada la sensibilidad de la radiación solar (UV y Vis) en superficie a los cambios cobertura nubosa, entender y estudiar los cambios potenciales de la misma es esencial para cuantificar cambios en la radiación. Desafortunadamente las características de las nubes (altura, tipo, espesor óptico, tamaño de gotas, etc,) que resultan importantes para la transferencia radiativa se miden escasamente. Entender los efectos que las nubes tienen sobre la irradiancia solar de onda corta que llega a la superficie terrestre es de suma importancia para una amplia variedad de estudios de balance radiativo.Por ejemplo, las nubes pueden producir una gran variabilidad interanual en la irradiancia ultravioleta, jugando de este modo un importante papel en la determinación de posibles tendencias [3]. El efecto de las nubes sobre las medidas instantáneas de la radiación solar de onda corta (UV y Vis) va desde pequeños aumentos hasta una reducción prácticamente total. Debido a la gran variabilidad de las nubes la cuantificación de sus efectos sobre los flujos radiativos en periodos cortos de tiempo resulta una tarea especialmente difícil [4]. La variabilidad a corto plazo de la radiación UV que alcanza la superficie de la Tierra está controlada principalmente por los cambios en cobertura nubosa [5,6]. Por lo tanto, la variabilidad de la nubosidad a menudo enmascara los efectos de cambios en el ozono, y puede reducir, cancelar o incluso revertir el aumento esperado UV relacionados con la reducción de la cantidad de ozono [6]. La cobertura de nubes, principalmente tiene un efecto de atenuación en el ultravioleta que oscila entre el 20% y el 70% para el cielo nublado, dependiendo del tipo de nube, la profundidad óptica, y el ángulo de elevación solar [6]. Adicionalmente, las nubes también pueden tener un efecto de incremento, que se manifiesta por la ocurrencia de niveles de radiación en superficie mayores a los que se deberían registrar en la situación equivalente libre de nubes. La magnitud de las realces es muy variable y pueden alcanzar valores de hasta un 30% con respecto a los valores de cielo despejado durante varios minutos seguidos, resaltando la importancia de estos eventos en aumentar las situaciones de riego asociadas a niveles altos de radiación UV [7,8,9]. Se han encontrado que los realces en la radiación son más pronunciados en situaciones de cielos parcialmente nublados con coberturas nubosas de 5 a 7 octas y cuando el disco solar no está obstruido por la nube [10], siendo menor en la banda UV que en los intervalos visible e infrarrojo [11]. Está bien documentado que estos incrementos a corto plazo en los niveles de UV pueden afectar la tasa de fotosíntesis de la vegetación como las algas o fitoplancton marino [12]. Además, el aumento de los niveles de radiación UV rápidos e intensos podría tener consecuencias perjudiciales para la piel y los 2

Contaminación Atmosférica e Hídrica en Argentina

ojos humanos, aunque la literatura sobre los efectos en la salud de estos episodios es bastante escasa. En el presente trabajo se analizarán los efectos que las nubes tienen sobre la radiación solar visible y ultravioleta (principalmente UVB, radiación comprendida entre 290-320 nm) utilizando mediciones en superficie de radiómetros instalados en el Observatorio Atmosférico de la Patagonia Austral (OAPA) emplazado en la ciudad de Río Gallegos, Pcia. de Santa Cruz. La influencia de la nubosidad en la radiación será evaluada comparando las mediciones puntuales con modelos de transferencia radiativa y paramétricos que representen las condiciones de cielo despejado que se hubieran medido en ausencia de nubes. 2. METODOLOGÍA E INSTRUMENTACIÓN UTILIZADA 2.1 Descripción del instrumental Con el objetivo de contribuir a los esfuerzos internacionales por seguir de cerca la evolución del fenómeno del agujero de ozono, la División Lidar del Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones (CEILAP) dependiente de (MINDEF-CONICET) instaló en la ciudad de Río Gallegos en el año 2005, una serie de instrumentos para el sensado remoto de la atmósfera. Debido a que uno de los objetivos primarios era la observación del ozono estratosférico, el lidar de absorción diferencial fue uno de los instrumentos más importantes de este sitio, pero no el único. Conjuntamente con el lidar, se instalaron un conjunto de radiómetros para monitorear la radiación solar en plano horizontal que llega a la superficie de la tierra, y en principio estudiar la anticorrelación entre el contenido de ozono y la radiación UV. Luego de varias campañas, el sito de observación se convirtió en un emplazamiento permanente de sensado remoto de la atmósfera en el sur de nuestro país, constituyéndose así el Observatorio Atmosférico de la Patagonia Austral (OAPA). El OAPA está emplazado dentro de la Base Aérea Militar de Río Gallegos a unos 10 km del centro de la ciudad santacruceña (51 º 55'S, 69 º 14'W). En el mismo opera la Estación de Sensado Remoto Pasivo (ESRP) constituida por un conjunto de radiómetros solares de banda ancha y moderada. Los datos son registrados por los dataloggers con una cadencia temporal de un minuto, la cual resulta adecuada para el estudio de variaciones rápidas como las producidas por las nubes en la irradiancia solar. La ESRP está formada por radiómetros de banda ancha sensibles al UVA (320-400 nm) y UVB (290-320 nm) e irradiancia solar total (300-3000 nm) conectados al mismo datalogger y un radiómetro de banda moderada de 5 canales (GUV-541) que mide la irradiancia solar global en cinco longitudes de onda (305, 313, 320, 340 y 380 nm). Este instrumento tiene un colector de irradiación de 2,1 cm de diámetro, con una hoja externa trapezoidal de teflón cubierto con una ventana de cuarzo. Estas tienen una respuesta direccional cercana a la curva de respuesta coseno. Los errores típicos en las mediciones son 0% a -5% a partir de 0 º a 70 º (considerando la referencia cero como la normal a la superficie del colector), 10% a -10% a partir de 71 º a 85, y -10% a -30% de º 86 a 89 º. El detalle de los mismos puede verse en la Tabla 1. Este instrumento registra

Influencia de la nubosidad en la radiación solar

Wolfram et al.

datos en forma automática cada un minuto en forma permanente, y constituye un instrumento muy útil para el monitoreo de la radiación solar UV en superficie. Además se cuenta con una estación meteorológica automática y un fotómetro solar marca CIMEL para la medición de espesor óptico de aerosoles. La combinación de las mediciones del instrumento GUV con modelos de transferencia radiativa como el LibRadtran [13] permiten obtener productos geofísicos derivados [14], como la columna total de ozono, el índice UV y el espesor óptico de nubes. En el presente trabajo, se consideraron las mediciones de la irradiancia solar total (ToSI) medida por un piranómetro CM-11 y la radiación solar ultravioleta eritémica expresada a través del índice UV (UVI) derivada de las mediciones del radiómetro GUV-541. Estos radiómetros son mantenidos por personal de la División Lidar del CEILAP, y sometidos a intercalibraciones y comparaciones con instrumentos de referencia cada 2 años aproximadamente. Las mediciones de los instrumentos de banda ancha son enviadas a la red de monitoreo de radiación solar de NASA, SolRad-Net (http://solradnet.gsfc.nasa.gov/data_menu.html) en forma periódica. Instrumento

Modelo & Fábrica

Rango Espectral

Radiometro UV de banda GUV-541 – Biospherical Instruments Cinco canales: 305 nm, 313 nm, angosta Inc. 320 nm, 340 nm, 380 nm. Radiómetro UV-A UVA-1 YES. 315 – 400 nm Radiómetro UV-B UVB-1 YES 280 – 320 nm Piranómetro CM-11 Kipp & Zonen Holland. 305 nm – 2800 nm Tabla I. Descripción de los radiómetros en superficie instalados en el OAPA

2.2 Descripción de los modelos utilizados en el trabajo El efecto que las nubes producen sobre la radiación solar que incide sobre un plano horizontal a nivel del mar y a la latitud de Río Gallegos, será evaluado con la metodología del factor de modificación por nubes (Cloud Modification Factor, CMF), tanto para la irradiancia visible como para la irradiancia ultravioleta eritémica representada por el índice UV (UVI) en este trabajo. El CMF se define como: CMF 

UVI med UVI 0

(1)

Donde UVImed representa las mediciones del índice UV para cada ángulo cenital considerado, y UVI0 representa el correspondiente valor modelado de la radiación equivalente en condiciones de cielo despejado. En forma similar para la radiación visible, se utiliza el cociente de la irradiancia total horizontal medida ToSI (300-3000 nm) con la irradiancia total horizontal modelada para el mismo momento de la medición. La irradiancia equivalente a cielo despejado se obtuvo mediante cálculos con modelos de transferencia radiativa. En rango de radiación total se utilizó el modelo paramétrico A 4

Contaminación Atmosférica e Hídrica en Argentina

[15], empleando como principales datos de entrada el valor de capa de ozono medio anual (300 DU), la presión atmosférica (1000 hPa), la temperatura de superficie (10ºC), la humedad relativa (50%), el albedo de la superficie terrestre (0.05) y los parámetros que describen la carga aerosólica, como el factor de turbidez (β=0.1), la dependencia espectral (α=1.3) y el valor del albedo de dispersión simple (ω=0.9) [15]. En el presente trabajo, todos estos valores de entrada fueron fijados en valores medios o típicos según el caso para la latitud de Río Gallegos. Para la radiación solar UVB representada por el índice UV (UVI), se utilizó la siguiente fórmula empírica propuesta por Madronich [16]: UVI 0  a 0 

 TOC     300 

(2)

Donde μ0 es el coseno del ángulo cenital, y TOC es el contenido de ozono total para cada día considerado en este estudio. Los valores de TOC fueron obtenidos del instrumento OMI/AURA de NASA para el overpass sobre Río Gallegos. Los coeficientes del UVI0 fueron calculados a través del ajuste de regresión lineal múltiple de un gran número de mediciones en condiciones de cielos despejados. Estos momentos fueron seleccionados considerando los espesores ópticos de nubes en 380nm calculados por el método de propuesto por Stamnes et al. [13], en donde la medición de un momento particular es contrastada con un valor de irradiancia modelada para la longitud de onda correspondiente dejado como parámetro libre el espesor óptico (EON) de atenuación que produciría la nube. De esta forma, se realiza un ciclo cerrado en el que el valor modelado se compara con el medido aumentando el EON hasta que la medición y el modelo coincidan. Se seleccionaron los ángulos cenitales correspondientes a EON <0.1 que representa la condición de cielo despejado para nuestro estudio. Los valores de los coeficientes a, b y c de la ecuación 2 que resultaron de la regresión lineal múltiple son: 4.748,58 ; 2,5166 y 1,0353 respectivamente. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En el presente trabajo, la base de datos analizada fue de 66872 registros del año 2008 para el instrumento GUV, correspondientes a diferentes ángulos cenitales menores a 70º. Esta restricción fue colocada para evitar las mediciones cercanas al horizonte y donde los errores de respuesta coseno de los instrumentos son mayores. Para el caso del irradiancia total visible, se consideraron 1440 registros diarios (uno por minuto) por 338 días de medición durante el año 2008. Como ya mencionamos, las nubes tienes efectos tanto de atenuación, como de realce en los niveles de radiación que llegan a la superficie terrestre. En la figura 1 se muestra un caso típico de la influencia que las nubes provocan en un día parcialmente nublado por la mañana, con nubes cumiliformes, que producen atenuación del 30% en el UV y 40% en el

Influencia de la nubosidad en la radiación solar

Wolfram et al.

visible cuando bloquean el disco solar directamente. Por la tarde, las condiciones son de cielos despejados, situación que refleja la forma suave de la curva de las mediciones, coincidente con los respectivos modelos que representan la situación de cielo despejado. También puede apreciarse en la misma figura, el efecto de realce que tiene la nubosidad tanto en la radiación UV como en la visible cuando el disco solar no es obstruido por la nube y se aumenta la dispersión de los fotones solares que colectan los respectivos instrumentos. Al igual que para las atenuaciones, los valores de realce son mayores en la irradiancia solar total visible, que en la UV.

Contaminación Atmosférica e Hídrica en Argentina

Figura 1. Ejemplo del efecto de la nubosidad sobre la radiación UV (panel superior) y la radiación visible (panel inferior). En el panel superior, se ha incluido la medición de GUV 541 y del YES UVB-1 conjuntamente con el modelo empírico.

Para cuantificar la variación estacional de la irradiación solar visible para Río Gallegos, se calcularon los valores medios mensuales de la irradiación solar visible diaria. Recordemos que la irradiación solar, es la cantidad de energía que arriba en plano horizontal a la superficie de la tierra durante un tiempo determinado (un día en nuestro caso) y se calcula como la integral de la irradiancia, o potencia instantánea medida por el piranómetro (W/m2). De esta forma la irradiación viene expresada en J/m2 o equivalentemente en kWh/m2 (1kWh/m2 = 3600 J/m2) debido a que esta magnitud habitualmente se utiliza en estudios de aprovechamiento energético de la radiación solar.

Influencia de la nubosidad en la radiación solar

Wolfram et al.

Figura 2. Variación estacional de la media mensual de la irradiación solar global diaria para Río Gallegos (columnas negras). Las columnas azules corresponden al mismo valor pero modelado con el modelo paramétrico.

En la figura 2 se muestra la variación estacional de la irradiación solar global medida con el piranómetro CM-11 Kipp&Zonenn (Fig. 2, columna negra). De la comparación con la irradiación solar global modelada que representa las condiciones de cielo despejado (Fig. 2, columna azul), se ve claramente que el impacto de la nubosidad es mayor en primaveraverano que en invierno. Esto coincide con el ciclo estacional de la cobertura nubosa para Río Gallegos, que tiene justamente un máximo en la primavera y verano, y un mínimo en el invierno, donde la ocurrencia de días despejados es mayor. Para analizar las variaciones que producen las nubes en la radiación UV, se calcularon los CMF de acuerdo a la ecuación 1, para cada ángulo cenital dentro del set de mediciones. Se registraron CMF de mínimos de hasta 0,2 (80% de atenuación) y CMF máximos de hasta 1.3 que significan un 30% de incremento con respecto a la misma situación de cielo despejado. La Figura 3 es un gráfico 3D que representa la variación del CMF en función del ángulo cenital y el nivel de la radiación UV representado por el índice UV (UVI). Vemos como las nubes, aparte de atenuar fuertemente la radiación UV a todos los ángulos cenitales, contribuyen notablemente a la ocurrencia de extremos de UVI ya que los valores más altos de este parámetro (UVI =13) aparecen cuando los CMF son más grandes que 1, es decir que las nubes en situaciones de cielos parcialmente nublados sin la obstrucción del disco solar, refuerzan la radiación que llega a la superficie. Esta situación se produce durante los ángulos cenitales menores (elevaciones solares mayores), es decir durante el verano, debido a la menor atenuación que produce la atmósfera cuando el sol está más alto en el cielo.

Contaminación Atmosférica e Hídrica en Argentina

Figura 3. Gráfico 3D de la variación del CMF con respecto al ángulo cenital y el índice UV (puntos verdes). Se ha remarcado los CMF mayores que 1 (puntos rojos).

Como puede notarse, los efectos que las nubes producen en la radiación visible son más intensos que sobre la radiación UV, tanto en la atenuación como en los realces, en acuerdo con la amplia evidencia de que las nubes afectan más intensamente la radiación visible que la UV en todas las condiciones del cielo. Esto se debe al hecho de que la contribución relativa de la componente directa a la difusa sobre una superficie es siempre mayor en la radiación visible que en la UV [1]. 4. CONCLUSIONES En el presente trabajo se analizó la influencia que produce la nubosidad sobre la radiación solar ultravioleta (especialmente UVB) y visible que arriba en plano horizontal a la superficie de la tierra. Para ello se analizaron los datos de los radiómetros de la Estación de Sensado Remoto Pasivo del OAPA emplazado en la ciudad de Río Gallegos, Pcia. de Santa Cruz, para el año 2008. Esta estación de monitoreo atmosférico en el sur de la Patagonia argentina, tiene una alta cobertura nubosa típica de esta región del planeta. Es por ello que la radiación solar se ve afectada fuertemente por los distintos tipos de nubes. Se confirmó como indica la literatura que la radiación visible es más afectada por la nubosidad que la radiación UV [1,10] amplificando las reducciones o realces más 9

Influencia de la nubosidad en la radiación solar

Wolfram et al.

intensamente. A través del cálculo de la irradiación diaria media mensual, y la comparación con la irradiación modelada, se puedo observar que la nubosidad presente sobre la ciudad de Río Gallegos afecta mayormente en primavera verano al recurso energético solar, produciéndose una atenuación de hasta un 30% para los meses de primavera, coincidentemente con la ocurrencia del máximos de espesores ópticos medidos y de la cobertura nubosa para la región. A través del uso del CMF que compara valores instantáneos de radiación medidos con valores modelados que representan las condiciones de cielo despajo, se pudo corroborar que la cobertura nubosa produce atenuaciones del orden del 80% (CMF=0,2) y realces o refuerzos de hasta un 30% (CMF=1,3) en la radiación UV. La alta ocurrencia de atenuaciones enmascara muchos eventos de alto UVI que deberían producirse por el paso de aire empobrecido de ozono, como resultado de las cercanías al agujero de ozono antártico, pero también generan las situaciones con valores de índices UV extremos presente sobre esta localidad. Se planea extender este trabajo a toda la base de datos disponible en el OAPA (2005- 2012) e identificar las distintos tipos de nubes y sus influencias sobre la radiación.

AGREDECIMIENTOS Los autores desean agradecer a la JICA (Agencia de cooperación del Japón) ; a la Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva de la FRBA; al PID UTN (UTI 1895) y por la financiación parcial de este trabajo. REFERENCIAS [1] Calbó, J., Pagés, D., González, J., 2005. Empirical studies of cloud effects on UV radiation: a review. Rev. Geophys. 43, RG. http://dx.doi.org/10.1029/2004RG000155. (2005) [2] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 4rd. Assessment Report, 2007. Disponible en:http://www.wmo.int/pages/partners/ipcc/index_en.html

[3] Seckmeyer, G., Erb, R. and Albold, A., ‘Transmittance of a cloud is wavelength dependent in the UV range’, Geophys. Res. Letters, vol.23, no.20, pp.2753-2755. (1996) [4] Frederick, J. E., H. E. Snell, and E. K. Haywood, Photobiol. 50:443-450 (1989) [5] Alados-Arboledas, L., Alados, I., Foyo-Moreno, I., Olmo, F.J., Alcántara,

A.,The influence of clouds on surface UV erythemal irradiance. Atmos. Res. 66, 273–290. (2003). [6] Crawford, J., Shetter, R.E., Lefer, B., Cantrell, C., Junkermann, W., Madronich, S., Calvert, J.,. Cloud impacts on UV spectral actinic flux observed during the International Photolysis Frequency Measurement and Model Intercomparison (IPMMI). J. Geophys. Res. 108, 8545. (2003). [7] Estupiñan, J.G., Raman, S., Grescenti, G.H., Streicher, J.J., Barnard, W.F., Effects of clouds and haze on UV-B radiation. J. Geophys. Res. 101, 16807–16816.6. (1996).

Contaminación Atmosférica e Hídrica en Argentina

[8] Sabburg, J., Calbó, J.,. Five years of cloud enhanced surface UV radiation measurements at two sites (in the Northern and Southern Hemispheres). Atmos. Res. 93, 902–912. (2009). [9] Wolfram, E. A., Salvador, J., Orte, F., D'Elia, R., Godin-Beekmann, S., Kuttippurath, J., Pazmiño, A., Goutail, F., Casiccia, C., Zamorano, F., Paes Leme, N., and Quel, The unusual persistence of an ozone hole over a southern mid-latitude station during the Antarctic spring 2009: a multi-instrument study, E. J.: Ann. Geophys., 30, 1435-1449, doi:10.5194/angeo-30-1435-2012, (2012). [10] Cede, A., Blumthaler, M., Luccini, E., Piacentini, R., Nuñez, L.,. Effects of clouds on erythemal and total irradiance as derived from data of the Argentine network. Geophys. Res. Lett. 29 (24), 2223. http://dx.doi.org/ 10.1029/2002GL015708. (2002). [11] Pfister, G., Mckenzie, R.L., Liley, J.B., Thomas, A., Cloud coverage based on all-sky imaging and its impact on surface solar irradiance. J. Appl. Meteorol. 42, 1421–1434. (2003). [12] Gwynn-Jones, D.,. Short-term impacts of enhanced UV-B radiation on photoassimilate allocation and metabolism: a possible interpretation for time-dependent inhibition of growth. Plant Ecol. 154, 67–73. (2001). [13] K. Stamnes, J. Slusser, M. Bowen, “Derivation of total ozone abundance and cloud effects from spectral irradiance measurements ”, App. Opt. 30, 4418-4426, (1991). [14] A. Dahlback, “Measurements of biologically effective UV doses, total ozone abundances, and cloud effects with multichannel, moderate bandwidth filter instruments”, App. Opt., 35(33), 6514-6521, (1996). [15] Iqbal M., An Introduction to Solar Radiation. Toronto Canada, Academic Press. (1983). [16] Madronich, S., Analytic formula for the clear-sky UV index. Photochem. Photobiol.

83 (4), 1537–1538. (2007).