ARTÍCHULO ORIGINAL

MEDIDAS DE ALBEDO EN EL SALAR DE UYUNI1

Marcos F. Andrade², Francesco Zaratti3

Laboratorio de Física de la Atmósfera
Instituto de Investigaciones Físicas
FCPN—UMSA

RESUMEN

Se estudió el efecto de superficies altamente reflectantes sobre la irradiancia ul­travioleta eritémicamente efectiva. Para este fin se realizaron medidas en el Salar de Uyuni ubicado en la parte sur de Bolivia. El Salar es el más grande del mundo con una superficie aproximada de 12 000 km². La característica más destacable del Salar para este estudio es la homogeneidad óptica de su superficie durante la mayor parte del ario. Además, al estar situado a 3800 m snm, el lugar recibe intensidades de UV relativa­mente altas en condiciones de baja contaminación atmosférica. Las medidas de albedo realizadas por un radiómetro UV para radiación eritémicamente efectiva muestran un valor de 0.69 ± 0.02. Este valor tiene una dependencia muy débil de la altura del sol lejos de las orillas del Salar lo cual indica la homogeneidad óptica de la superficie del mismo. Sin embargo, cerca de las orillas del Salar el efecto de borde es considerable. Para una elevación del sol del orden de 50° el índice UV, usado como medida de la intensidad UV, muestra que es un 20 % más alto cerca del centro del Salar que cerca de las orillas del mismo. Para valores menores de elevación del sol estos valores son algo menores.

Descriptores: Radiación UV, Albedo, Ozono.

1. INTRODUCCIÓN

Existe amplia evidencia acerca de los efectos dañinos a la salud humana de la excesiva exposición a la Radia­ción UV (RUV) solar [1,2]. Gente que vive en los trópicos ve incrementado este riesgo a causa de los niveles natu­ralmente bajos de ozono [4]. Adicionalmente, debido a que la intensidad de la RUV que llega a la superficie terrestre se incrementa con la altura de la misma [3,4], la población que habita en la región andina se encuen­tra en especial riesgo. En el caso de Bolivia alrededor de tres millones de personas viven por encima de los 3 000 m snm [10]. Por esta razón es importante caracterizar adecuadamente los parámetros relacionados con la RUV en esta región del planeta. En este sentido, dado su ta­maño, altitud, propiedades ópticas y baja contaminación local, el Salar de Uyuni es un laboratorio natural muy interesante.

Estudios teóricos con base en modelos tri­dimensionales sugieren que las propiedades reflectantes de la superficie, aun a decenas de kilómetros del sitio de medida, influyen de manera significativa en la radiación

UV [6]. Estos estudios, basados en superficies con albedos de 0.03 para vegetación y 0.85 para nieve, han sido realizados para una variedad de condiciones y en áreas del orden de 200 km x 200 km. Los resultados para la región UV indican que el máximo incremento de la irradiancia UV debido a cambios del albedo de la superficie de 0.03 a 0.85 está cerca del 50 % para longitudes de onda cercanas a los 330 nm y alrededor de 35 % para 300 nm. Estos resultados están en excelente concordancia con otros estudios teóricos publicados anteriormente [7]. El radio del área circular alrededor del detector que produce un 80 % del máximo efecto debido al alto albedo de la superficie es del orden de 22.5 km para 330 nm y 6 km para 300 nm. Hasta ahora los estudios experimentales que abordaron el tema de los efectos de albedo sobre la RUV se realizaron en la Antártica [8,9] y las regiones glaciares de los Alpes [10]. Estos estudios, sin embargo, encontraron dificultades relacionadas con las inhomogeneidades del terreno y el acceso a la zona fronteriza entre las regiones de alto y bajo albedo. Estos problemas se reducen al mínimo en el caso del Salar de Uyuni. Aún más, debido al alto albedo reportado en la zona del visible para el Salar [11] y la elevada intensidad UV en el lugar es de esperar que un estudio experimental en esta zona arroje nuevas luces acerca del comportamiento de las RUV. Los datos que se reportan en el presente trabajo fueron obtenidos en una campaña de campo realizada en Mayo del año 2005. Durante el periodo de medida

Figura 1. Mapa del Salar de Uyuni con los sitios de medida durante la campaña de Mayo del 2005.

se utilizaron varios radiómetros de banda ancha. Se espera que las irradiancias y albedos medidos puedan contribuir a la validación de modelos de transferencia radiativa así como a la evaluación e interpretación de datos satelitales relacionados.

2. DESCRIPCIÓN DEL SALAR

Dado que el Salar se encuentra a una altura similar a la del Laboratorio de Física de la Atmósfera (16.54° S, 68.07'0, 3420 in snm) es razonable utilizar los da­tos de la columna de ozono medidos por un instrumento Brewer situado en este laboratorio. Otra opción es utili­zar los datos medidos por el instrumento TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer por sus siglas en inglés). En ambos casos el valor medio para el mes de Mayo es del orden de 250 DU (Unidades Dobson, 1 DU=lmatm cm, o 2.69 x 10¹⁶ moléculas cm-²). Dada la lejanía del Salar de los grandes centros urbanos (la única población cercana con aproximadamente 10 000 habitantes se en­cuentra en la orilla oriental del Salar) es de esperar que la contaminación superficial sea baja. Las pocas medi­das realizadas en la zona sugieren que la concentración de ozono superficial está en el orden 20 ppbv [17]. En el caso de los aerosoles, medidas realizadas en La Paz con un radiómetro CIMEL que es parte de la red Aeronet muestran que el espesor óptico de los aerosoles (AOD)

es del orden 0.1-0.2 en la ciudad de La Paz para el mes de Mayo (http://aeronet.gsfc.nasa.gov/). Es de esperar entonces que en la zona del Salar los valores de AOD sean de ese orden o menores.

3. CAMPAÑA E INSTRUMENTACIÓN

La campaña de campo se llevó a cabo del 10 al 16 de mayo del ario 2005. La irradiancia efectiva U^y, represen­tada por el índice UV, fue medida por tres radiómetros UV de banda ancha. Dos de ellos (un UVS-E-T, fabrica­do por Kipp Zonen, número serial 001, y otro SCIN­TEC, número serial 399) fueron proporcionados por el Instituto de Meteorología de la Universidad de Munich en tanto que el tercero (un UVB-1, Yankee Environmen­tal Systems, número serial 137) fue proporcionado por el Laboratorio de Física de la Atmósfera. Adicionalmen­te, durante la campaña se contó con un medidor de la columna de ozono Microtops II [13] así como un equipo NOLL para medir el espesor óptico debido a los aerosoles [14].

Para obtener medidas a fin de estudiar tanto el al­bedo como los efectos de borde del Salar sobre éste, se tomaron datos de forma simultánea a las orillas corno en regiones dentro del Salar lejos de su borde. Para calcular el albedo se colectaron datos durantes una tarde y una mañana consecutivas colocando un radiómetro apuntan­do hacia arriba y abajo de manera alternada. Para esti­mar los efectos de borde se colocó unos de los radióme­tros sobre el techo de un "todo terreno" y se manejó el mismo por dos días hacia el centro del Salar y desde allí hacia una orilla. La figura 1 muestra los lugares don­de las medidas fueron colectadas.

4. MEDIDAS

Las irradiancias UV fueron medidas utilizando los instrumentos detallados en la sección 3. Todos los ra­diómetros allí descritos han sido diseñados para que su respuesta espectral coincida con el espectro de acción eritémica definido por CIE [15] de tal modo que midan la irradiancia UV eritémicamente efectiva. Dado que el índice UV se calcula a partir de esta irradiancia efectiva [16,19], en el presente trabajo las medidas se reportan en "unidades" IUV (1 IUV = 25 mW/m² de irradiancia efectiva) como si la misma fuera una unidad física. Ahora bien, debido a que ningún detector responde exactamen­te igual a la definición CIE mencionada anteriormente, es necesaria una calibración de los instrumentos a fin de obtener datos confiables [21]. En este sentido todos los instrumentos fueron calibrados cuidadosamente. Esto in­cluyó el trabajo de laboratorio para obtener una matriz de calibración dependiente de la columna total de ozono así como de la altura del sol [17,18].

4.1. Intercomparación de radiómetros

A fin de obtener el albedo, se usaron los dos radióme­tros del mismo tipo (Kipp 8.c Zonen, números seriales 001 y 399). Ambos detectores colectaron datos lado a lado antes y después de la campaña en diferentes localidades

Sitios y fechas en los que se tomaron datos, con los instrumentos lado a lado, para fines de intercalibración. (n* es el número de días en los que se midió el IUV.)

Figura 2. Razón R entre los IUV medidos por los detectores UV-E-S-T 399 y UV-E-S-T 001. Los datos fueron colectados cada minuto durante 9 días de medidas con los instrumentos lado a lado. La línea gruesa muestra un ajuste cuadrático a los datos mientras que las líneas delgadas indican el intervalo ±2% alrededor de este ajuste.

a fin de evaluar cualquier diferencia en las medidas entre­gadas por los mismos. La tabla 1 resume las localidades y tiempos para tal efecto. Las razones R de todas las medi­das de IUV entre los dos instrumentos (IUV399/IUV001) están graficada.s en la Fig. 2. Se observa que las medidas de ambos instrumentos coinciden razonablemente bien en el orden del 5 % que es la precisión esperada para este tipo de radiómetros [20]. Sin embargo R muestra clara­mente una dependencia con la elevación del sol. La razón R está alrededor de 0.95 para elevaciones pequeñas mien­tras sube a aproximadamente 1.05 para 55⁰ de elevación (máxima elevación durante la campaña). Esta dependen­cia, atribuible principalmente a la diferente sensitividad espectral de los instrumentos así como a la diferente res­puesta coseno de los mismos debe ser tomada en cuenta a la hora de calcular el albedo. La ventaja de calcular este último es, naturalmente, que el albedo es la razón de las medidas realizadas por los dos instrumentos de forma tal que ajustando un instrumento al otro la de­pendencia con la elevación deja de ser importante. Para este propósito se realizó un ajuste cuadrático a los datos

Figura 3. Ilustración del efecto de aplicar la función de corrección entre los instrumentos 001 y 399 para Mayo 11 en Uyuni.

tomados cada minuto. La figura 2 muestra los datos, la curva de ajuste (línea gruesa) así como el intervalo del 2% alrededor de esta curva de ajuste (líneas delgadas). De este modo, para evaluar el albedo, se corrigieron los datos entregados por el instrumento 001 por la curva de ajuste. Los datos así corregidos coinciden mejor que al 2 % para ángulos mayores a 15°. La figura 3 muestra los datos originales y los corregidos. Como se observa, la dependencia con la altura desaparece casi por completo una vez que la corrección es realizada. Todos los datos medidos durante la campaña fueron corregidos corres­pondientemente.

4.2. Albedo

r 'gura 4. Arreglo experimental para la aeterminacion (ler al­bedo en el Salar de Uyuni.

Figura 5. Datos tomados por el instrumento 001 durante la tarde del 15 de mayo y la mañana del 16 de mayo del 2005. Los datos son desplegados de tal forma que indican el compor­tamiento diario. La dirección de los detectores fue cambiada manualmente cada 10 a 20 min. La línea ploma es un ajuste a los datos para poder calcular el albedo de manera continua.

de la superficie (ver figura 4). Aproximadamente cada 15 mm n la orientación de ambos fue modificada manualmen­te girando el brazo en el que los instrumentos estaban instalados. La horizontalidad de ambos instrumentos fue controlada por niveles de burbuja. Las medidas se reali­zaron la tarde del 15 de Mayo, a partir de las 17:30 UTC (13:30 hora oficial local) y la mañana del 16 de las 12:30 a las 18:00 UTC. Las medidas de ambos días se combi­naron para mostrar el comportamiento diario mostrado en la figura 5. Los datos obtenidos durante la transición "arriba-abajo" fueron descartados. El día 15 en la tarde

Figura 6. Variación diurna del albedo para irradiancia eritérnicamente efectiva derivada de datos colectados el 15 y 16 de mayo del 2005 (vea también la Fig. 5).

aproximadamente dos octavos del cielo estaban cubierto por delgadas nubes cirrus que no afectaron notablemente la radiación UV. En cambio el día 16 en la mañana ama­neció con cuatro octavos del cielo cubierto por cirrus. La nubosidad se incrementó hasta seis octavos hacia el mediodía. Más importante, las nubes se tornaron óptica­mente mucho más densas hacia el mediodía. Esto se ve reflejado en la mayor la variabilidad de los datos a partir de las 16:00 UTC.

Para obtener una función continua de la irra,cliancia recibida y reflejada se ajustaron curvas a los datos com­binados del día 15 y 16 (figura 5). Estas curvas fueron luego usadas para el cálculo del comportamiento dia­rio del albedo válido para la irradiancia eritémicamente efectiva. El comportamiento temporal del albedo puede ser observado en la figura 6. Entre las 12:30 UTC y las 20:30 UTC (8:30 a las 16:30 hora local), correspondien­tes a elevaciones mayores a 15°, el albedo es bastante estable con un valor 0.69 ± 0.02. Las variaciones que se observan para ángulos menores están probablemente re­lacionadas con la respuesta coseno del detector. Debido a falta de datos de calibración de los instrumentos para la radiación reflejada se decidió usar los datos "crudos" tal como fueron entregados por los detectores. Por tanto, desviaciones de la respuesta ideal coseno de los instru­mentos así como la baja sensibilidad de los mismos ante la débil radiación para ángulos bajos pueden contribuir al comportamiento mostrado por el albedo en la figura 6.

El día 14 de mayo se realizaron medidas simultáneas con el detector UV-S-E-T-399 en Colchani (a aproxima­damente 5 km fuera del Salar) y el detector UV-S-E-T­001 en la Isla Incahuasi la cuál se halla cerca del cen­tro del Salar (ver figura 1). Esta isla tiene una extensión aproximada de 0.75 km por 1 km con el punto más eleva­do a unos 50 m de la superficie del Salar. El radiómetro fue instalado en la parte noreste sobre una roca a unos 20 m de la superficie del Salar. El comportamiento diario y

Figura 7. Intercomparaci´on de los IUV medidos en Colchan (instrumento 399)), fuera del Salar, y en la Isla Incahuasi (instrumento 001) cerca al centro del Salar de Uyuni en mayo 14, 2005. la razón de las medidas realizadas por los dos detectores puede observarse en la figura 7. Los datos del detector 001 fueron corregidos de acuerdo al análisis realizado en la sección 2 (ver figura 2). Por esta razón la mayor parte de las desviaciones observadas entre los dos instrumen­tos puede atribuirse al efecto del albedo sobre la irra­diancia eritémicamente efectiva. La mayor parte del día los niveles de radiación UV medidos en la Isla Incahuasi, dentro del Salar, son aproximadamente 20 % más altos que los medidos en Colchani. Esta razón, sin embargo, muestra una disminución para ángulos solares bajos en la mañana, comportamiento que puede ser atribuido a una distinta respuesta azimutal de los dos detectores o a variaciones en la respuesta coseno. Además, dada la localización de los sitios de medida, al menos en el caso de Colchani, puede observarse que existe una clara asi­metría en la radiación UV entre la tarde y la mañana. Lamentablemente, por razones logísticas, no se pudieron hacer mayores verificaciones de estas hipótesis.

5. SIMULACIONES

Simulaciones del efecto del albedo se realizaron con el modelo STAR [22,23]. La figura 8 muestra el resultado de un análisis de sensibilidad del IUV para diferentes alturas solares y características de la superficie típicas del Altiplano boliviano. Las simulaciones se realizaron para una elevación de la superficie de 3 700 m snm y una presión correspondiente de 650 hPa. La columna de ozono se fijó a 250 DU, valor promedio para esa época del ario. Basados en las medidas del fotómetro NOLL se decidió usar como dato de entrada al modelo aerosoles tipo "continental limpio" con un espesor óptico de 0.05 a 550 nm [241.

En general el IUV se incrementa fuertemente con la

Figura 8. IUV modelado como función de la elevación del sol y el albedo de la superficie. El contenido total de ozono fue fijado en 250 DU; la presión en 650 HPa; la altitud en 3 700 m snm; y el espesor óptico de los aerosoles a 550 nm en 0.05.

elevación del sol debido a la reducción del camino ópti­co a través de la atmósfera. Hay además un marcado incremento del IITV con la refiectividad de la superfi­cie. Procesos de dispersión múltiple, especialmente por moléculas de aire, redirigen hacia abajo parte de la radia­ción reflejada por la superficie, reforzando de este modo la radiación que va hacia dicha superficie. La figura 9 pre­senta el efecto del incremento del albedo de la superficie sobre la irradiancia eritémicamente efectiva medida por el IUV. En esta simulación se incrementó el albedo de la superficie de 0.2 [25,26] a 0.7 [27,28] para simular los valores esperados [29] y medidos de las superficie alrede­dor y dentro del Salar. La simulación se llevó a cabo para alturas a nivel del mar y 3 700 m snm. El incremento del IUV debido a los cambios de albedo muestra solamen­te una débil dependencia con altura del sol. Un máximo suave ocurre alrededor de 20°. El efecto del albedo a ni­vel del mar (símbolos abiertos) es marcadamente más alto que a 3 700 m snm (símbolos llenos) lo que mues­tra la fuerte dependencia de los procesos de dispersión múltiple con la densidad del aire.

Se investigó el efecto que tiene una superficie con alto albedo sobre la irradiancia UV eritémicamente efectiva. Medidas obtenidas a través de una campaña de campo en el Salar de Uyuni, y cálculos a través de modelos fue­ron empleados para este propósito. La irradiancia UV eritémicamente efectiva fue medida a través de tres ra­diómetros colocados simultáneamente dentro y fuera del Salar a diferente distancia del borde del mismo. Para po­der realizar una adecuada comparación e interpretación

Figura 9. Incremento porcentual en el IUV, derivado de mo­delos, debido al incremento del albedo de la superficie como función de la elevación del sol. Los parámetros usados son los mismos que los especificados en la Fig. 8.

de los datos, los instrumentos fueron calibrados entre sí. El resultado de esta intercalibración mostró que las res­puestas entregadas por los radiómetros tenían una exac­titud relativa del 2 %, valor que es más alto que el 5% típico para radiómetros del tipo usados en el experimen­to. Las medidas tomadas dentro del Salar muestran un claro incremento de irradiancia UV eritémicamente efec­tiva respecto de medidas tomadas donde el albedo no es tan alto (i.e. en las afueras del Salar). Eso muestra la aún importante contribución de procesos de dispersión múltiple por las moléculas de aire a la altura del Salar. Los valores medidos en Isla Incahuasi, casi en el centro del Salar, muestran un incremento de alrededor del 20% comparado con las medidas tomadas en Colchani, a so­lo 5 km del borde del Salar para una elevación del sol de 50°. Estas medidas muestran también que este valor se reduce para alturas solares menores. A pesar de eso, para alturas que están entre 25° y 50°, máxima altura del sol durante la campaña, existe una excelente corres­pondencia entre el incremento medido del IUV (usado en este trabajo como medida física de la irradiancia UV eritémicamente efectiva) y los cálculos de transferencia radiativa realizados en una dimensión cuando el albedo se incrementa de 0.2 a 0.7. Sin embargo, en contrapo­sición a lo medido, los cálculos hechos por los modelos predicen un débil máximo para alturas del sol alrede­dor de 20° y prácticamente ningún efecto debido altu­ras del sol pequeñas. Esta discrepancia puede deberse a la pérdida de precisión en las medidas UV de los ra­diómetros para ángulos del sol bajos (debido también a la baja intensidad incidente para dichos ángulos) por lo que cualquier diferencia sistemática entre los radióme­tros puede dar una falsa dependencia con la altura del sol. Adicionalmente, es posible que exista una depen­dencia del medio al albedo local debido a la presencia de asimetrías (rocas, vegetación, tipo de suelo, etc.) en los lugares de medida. Además debe tomarse en cuenta que el albedo medido en un punto está influenciado por las condiciones circundantes las cuales tiene un efecto hasta de decenas de kilómetros. Un estudio detallado de este efecto sólo será posible a través de un estudio más largo y minucioso en el futuro.

La refiectividad para radiación UV eritémicamente efectiva se determinó que vale 0.69 + 0.02. Este valor no muestra prácticamente dependencia con la altura del sol, lo cual sugiere la homogeneidad de la superficie, al menos para esta parte del espectro electromagnético, y propiedades de reflexión prácticamente isotrópicas en el Salar. Estas propiedades ópticas juntamente a condicio­nes climáticas poco variables, bajo ozono total, poca pre­sencia de aerosoles y baja nubosidad la mayor parte del ario, hacen del Salar de Uyuni un lugar ideal para reali­zar estudios de transferencia radiativa así como para la calibración de instrumentos a bordo de satélites.

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