Puesta en marcha de una nueva estación de monitoreo climático en los andes centrales de Bolivia: la estación Gaw/Chacaltaya

Set to work of a new climate monitoring station in the central andes of Bolivia: the Gaw/Chacaltaya station

M. Andrade¹, F. Zaratti¹, R. Forno¹, R. Gutiérrez¹, I. Moreno¹, F. Velarde¹, F. Ávila¹, M. Roca¹, M. F.
Sánchez¹, P. Laj², J. L. Jaffrezo², P. Ginot³,², K. Sellegri⁴, M. Ramonet⁵, O. Laurent⁵, K. Weinhold⁶, A.
Wiedensohler⁶, R. Krejci⁷, P. Bonasoni⁸, P. Cristofanelli⁸, D. Whiteman⁹, F. Vimeux¹⁰,¹¹, A. DOMMERGUE², & O. MAGAND^{2 ]]> 1} Laboratorio de Física de la Atmosfera, Instituto de Investigaciones Físicas, Universidad Mayor de San Andres
² Laboratoire de Glaciologie et Geophysique de l'Environnement (LGGE), CNRS-UJF, Grenoble, Francia
³ Observatoire des Sciences de l'Univers (OSUG), IRD—CNRS—UJF, Grenoble, Francia
⁴ Laboratoire de Météorologie Physique, CNRS—UBP, Clermont—Ferrand, Francia ⁵ Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE/IPSL), Unite Mixte de Recherche (CEA-CNRS-UVSQ), Gif—sur—Yvette, Francia
⁶ Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS), Alemania ⁷ Department of Environmental science and analytical Chemistry (ACES), Stockholm University, Suecia
⁸ Institute of Atmospheric Sciences and Climate, CNR, Bologna, Italia
⁹ Goddard Space Flight Center, National Aeronautics and Space Administration, Estados Unidos ¹⁰ Institut de Recherche pour le Developpement, Laboratoire HydroSciences Montpellier, Unité Mixte de Recherche (IRD, CNRS, UM1,
UM2), Montpellier, Francia ¹¹ Institut Pierre Simon Laplace, Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement, Unite Mixte de Recherche (CEA, CNRS, UVSQ), Gif-sur-Yveííe, Francia (Recibido 9 de Febrero de 2015; aceptado 7 de Mayo de 2015)

En diciembre 2011 se establecio una nueva estación regional (CHC/GAW por su nombre corto) de la red Global Atmosphere Watch parte de la World Meteorological Organization (WMO) en el Monte Chacaltaya (5400 m snm). El objetivo de esta es monitorear la composicion atmosférica de la región, principalmente gases de efecto invernadero, gases reactivos y material particulado, con el fin de estudiar el transporte de estos elementos hacia la troposfera media y hacia (y de la) la troposfera libre. Para este proposito un consorcio de instituciones europeas y americanas instalo un conjunto de instrumentos en dependencias del Laboratorio de Rayos Cosmicos de Chacaltaya del Instituto de Investigaciones Físicas de la Universidad Mayor de San Andres (UMSA) en La Paz, Bolivia. Desde su puesta en marcha CHC/GAW ha funcionado casi continuamente hasta la fecha con pocas interrupciones casi todas relacionadas a descargas electricas. Los primeros resultados, correspondientes a los años 2012-2013, son reportados en el presente documento. El transporte de material particulado, producto de la quema de biomasa vegetal, es claramente visible en los datos adquiridos en ese periodo.

Asimismo, el efecto de la contaminacion producida en la región metropolitana de La Paz, relativamente cercana a la estacion aunque a mucha menor altura, es claramente observado en los datos diarios y promedios temporales mas largos. Esos datos sugieren que la estación esta en la troposfera libre, especialmente durante la noche, mientras que durante el día es muy comun que la advección de aire caliente, debido al calentamiento de la superficie y el incremento de procesos turbulentos, permitan el transporte de material particulado y gases hacia Chacaltaya a traves del crecimiento de la capa límite planetaria. Un comportamiento asociado a las temporadas seca y humeda, es también evidente en los datos.

Codigo(s) PACS: 92.60.-e — 92.60.hf — 01.52.+r

Descriptores: Propiedades y dinmica de la atmsfera — Composicin, qumica y transporte de constituyentes de la tropsfera — Instalaciones de laboratorio nacionales e internacionales

Abstract

A new regional station (CHC/GAW for short) of the Global Atmosphere Watch, which is part of the World Meteorological Organization (WMO), was set to work in December 2011 at mount Chacaltaya (5400 masl). The purpose of this station is to monitor the atmospheric composition of the region, especially the greenhouse effect gases, reactive gases and particle material which is carried to the medium troposphere and to (or from the ) free troposphere. To this purpose, a consortium of European and American institutions set up various instruments in the Cosmic Ray Laboratory (Institute of Physical Investigations, Universidad Mayor de San Andrs, UMSA, La Paz, Bolivia). From its set to work up to now the CHC/GAW has worked continuously with few interruptions, almost all of them related to lightings. The first results corresponding to the 2012-2013 period are reported in this document. The transport of particle material (which results from the burning of vegetal biomass) is clearly visible from the data.

The effect of pollution produced in the metropolitan region of La Paz (which is near to the station but at a much less altitude) is also clearly visible in the daily data and in longer time averages. These data suggest that the station is located in the free troposphere, especially at night, while during day time the advection of hot air (due to the warming of the surface and to the increase of turbulent processes) carry particle material and gases to Chacaltaya due to the enhancement of the planet boundary layer. A behavior associated to the dry and humid seasons is also evident in the data.

Subject headings: Properties and dynamics of the atmosphere — Tropospheric composition and chemistry, constituent transport and chemistry — National and international laboratory facilities

1. INTRODUCCION

El estudio y monitoreo de diferentes componentes atmosfericos, tanto de origen natural como antrópico, ha concitado el interes de la comunidad científica y de tomadores de decision en América en los últimos anos. Cambios en la calidad del aire, a raíz del crecimiento demografico e industrial así como del incremento en la concentracion de gases de efecto invernadero, han resaltado la importancia del monitoreo de la atmosfera en una perspectiva temporal de varias decadas a fin de establecer posibles cambios en su composicion y las causas de los mismos. Sin embargo, en los Andes existen muy pocas estaciones que estudien la atmosfera de forma continua y permanente. Por ejemplo la red Global Atmosphere Watch de la Organizacion Meteorológica Mundial reporta en su sitio web http://gaw.empa.ch/gawsi1 un reducido numero de estaciones que se hallan funcionando en la region, especialmente en la zona central de los Andes.

Desde hace varios anos personal del ahora Laboratorio de Física de la Atmosfera (LFA), dependiente del Instituto de Investigaciones Físicas (IIF) de la Universidad Mayor de San Andres (UMSA), ha usado las instalaciones del laboratorio de Rayos Cosmicos del IIF en el Monte Chacaltaya (pico a 5380 m snm) para realizar estudios de corta duracion referentes a la composicion de la atmósfera en la región. Estas investigaciones estuvieron relacionadas fundamentalmente al estudio del comportamiento de algunos gases como el monoxido de carbono, (Andrade et al. (2011)) el dioxido de carbono (M.Andrade & Gutierrez (2007)) (M.Andrade et al. (2015)). Desde el principio el potencial del lugar fue evidente: la altura del laboratorio, su cercanía al Altiplano y la Amazonia así como a la zona metropolitana de La Paz hacen que se puedan estudiar masas de aire de diferente origen. Los estudios preliminares sugirieron que el transporte de material particulado y gases hacia regiones de altura como Chacaltaya era importante y que los posibles efectos de este transporte podrían tener, a su vez, efectos sobre los glaciares de la region.

El ano 2010, un grupo de investigadores del LFA y del Institut de Récherche pour le Dévelopment (IRD) frances, por un lado, y del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) italiano deciden intentar convertir a Chacaltaya en un centro de monitoreo y estudios atmosfericos. Para este propósito y con ayuda de otros centros de investigacion que se plegaron a la iniciativa original, se envía un proyecto a la Organizacion Mundial de Meteorología (WMO por sus siglas en ingles), para instalar un laboratorio de estudios atmosfericos en Chacaltaya. El objetivo principal fue estudiar el comportamiento de gases y material particulado que llega a esta region, el transporte de estos elementos desde y hacia la troposfera libre, ası como los procesos asociados al comportamiento observado. El proyecto fue aprobado a principios del 2011 y se monto el laboratorio en diciembre de ese ano. Las instalaciones fueron adecuadamente preparadas para este proposito a fin de garantizar el cuidado adecuado de los instrumentos y la adquisicion correcta de los datos. En la estación se siguen estrictos protocolos de calibracion y mantenimiento de los instrumentos ahí emplazados. Desde entonces el laboratorio funciona de manera ininterrumpida y mas bien ha crecido en instrumentos y personal. Así mismo el numero de instrumentos que permiten apoyar las medidas realizadas en Chacaltaya desde La Paz ha ido en aumento de manera continua.

El presente documento describe el trabajo que se esta realizando en el laboratorio atmosférico de Chacaltaya (denominado a partir de ahora CHC/GAW), incluida una descripcion del lugar, de la instrumentacion existente en la actualidad más algunos resultados a la fecha y proyecciones futuras.

2. BREVE DESCRIPCION DEL LUGAR

El laboratorio Chacaltaya CHC/GAW se encuentra localizado a 5240 m snm a 16°21'1.78"S y

El laboratorio esta orientado al este del Altiplano Central a aproximadamente 50 km del Lago Titicaca, el cuerpo de agua mas grande la región, y a una distancia aproximada de 17 km al norte del conglomerado urbano La Paz-El Alto (y otras ciudades mas pequenas aledañas a éstas) que actualmente tiene una poblacion aproximada de 1.6 millones de habitantes (INE, 2013). Las denominadas tierras bajas, Amazonıa, están a unos 250 km en línea recta hacia el este de la estacion en tanto que el Océano Pacífico se halla hacia el oeste a aproximadamente 350 km de distancia.

Las instalaciones son accesibles a traves de un camino de tierra localizado a aproximadamente una hora y media por automovil de las instalaciones del LFA en la ciudad de La Paz, lo que permite acceder al mismo facilmente para fines de monitoreo, mantenimiento y descarga de informacion. A la fecha CHC/GAW tiene ademas acceso a través de Internet y cuenta con servicio de electricidad desde la red principal de electricidad a traves de una línea de alta tension mantenida por el IIF. Asimismo la infraestructura cuenta con personal de vigilancia permanente.

3. INSTRUMENTACION

3.1. Chacaltaya

Al momento de la instalacion inicial se emplazó un grupo de instrumentos que han funcionado, esencialmente, de manera continua hasta la fecha. La tabla 1 muestra un listado de los instrumentos/sistemas instalados a la fecha en la estacion en Chacaltaya. En diciembre del 2012 se comenzo a tomar muestras isotopicas de precipitación mientras que en octubre 2013 se iniciaron las medidas isotopicas en vapor de agua a traves del analizador isotópico de 5^mO y (5D, que permite estudiar la historia convectiva e, indirectamente, la procedencia de las masas de aire (Tremoy et al. (2012)). Asimismo el equipo inicial de medida de CO2, basado en instrumentos LICOR (ver tabla 1) ha sido reemplazado en mayo del 2014 por un instrumento Picarro que mide este gas y adicionalmente metano.

3.2. Cota-Cota (LFA)

A fin de complementar las medidas realizadas en Chacaltaya, un grupo de instrumentos fue instalado en las instalaciones del Laboratorio de Fısica de la Atmosfera (LFA), en el campus de la UMSA (3420 m snm, 16°32'20.71"S, 68°3'58.69"W). Algunos de estos instrumentos/sistemas estuvieron en funcionamiento antes de la fecha de la instalacion de CHC pues formaban parte de estudios previos del LFA. La tabla 2 detalla los instrumentos actualmente en funcionamiento en este lugar.

En esta seccion se presentan promedios a nivel estacional correspondientes a datos de los anos 2012

y 2013 de las diferentes medidas realizadas en Chacaltaya. Para este primer reporte acerca de la estacion Chacaltaya nos abocamos a datos trimestrales definidos de acuerdo a la tabla 3.

El enfasis en el presente trabajo está centrado en las estaciones humeda y seca que están claramente definidas en datos meteorologicos de estaciones de la region (M.Andrade et al. (2015)). Los periodos MAM y SON son considerados de transicion aunque el mes de septiembre es el mes con mayor actividad de produccion de humo debido a la quema de biomasa (M.Andrade et al. (2015)).

El analisis de vientos medidos en la cumbre (5380 m asl) muestra la prevalencia de vientos del oeste en la epoca seca así como prevalencia de vientos del este durante la epoca húmeda. Estos hechos son consistentes con estudios anteriores (R.Garreaud et al. (2008)). Estas observaciones junto a la ubicacion de la estacion meteorológica sugieren que la estación mide el comportamiento regional antes que local.

4.1. Dióxido de carbono

El equipo de medida usado desde diciembre 2011 hasta mayo 2014 esta basado en un instrumento descrito en la tabla 1. Los datos que se usan para este trabajo corresponden a diciembre 2011 hasta diciembre 2013 y corresponden a datos horarios en ese periodo. A partir de los mismos se calcularon promedios diarios ası como promedios mensuales y estacionales. La fig. 2 muestra el comportamiento de la concentracion de CO2 en CHC/GAW para el periodo analizado. Se observa claramente el incremento en la concentracion en los dos años de observaciones pero tambien dos periodos (nov—dic 2012 y jun— jul 2013) en los cuales no se tiene datos por fallas en el instrumento. Por esta ultima razón es aún difícil establecer el comportamiento anual promedio del CO2 medido en CHC. La figura 3 muestra el

comportamiento promedio diario en los semestres con suficiente informacion para el periodo de estudio. Una amplitud, diferencia en concentracion de CO₂ entre el día y noche, del orden de 1 ppmv es evidente para los semestres DEF y MAM mientras la amplitud es menor en los semestres restantes. Esto contrasta con estudios realizados en el area metropolitana (M.Andrade & Gutierrez (2007)) donde se observa un claro ciclo diurno con una amplitud del orden de 10 ppmv². Este hecho sugiere una debil influencia de la capa límite planetaria (CLP) en la concentracion de CO2 en Chacaltaya. Finalmente, un ajuste lineal a los promedios trimestrales da un incremento de 3.5 ± 0.3 ppmv/ano que es un valor un poco mayor que el reportado en Mauna Loa (http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/weekly.html Cabe hacer notar que estos datos son preliminares pues la intercomparacion y calibración entre los dos instrumentos que miden CO₂ esta en proceso.

4.2. Ozono superficial

Las concentraciones promedio de ozono superficial en Chacaltaya son de la misma magnitud que aquellas reportadas en Pico Espejo a 4765 msnm (S.Calderon et al. (2008)), aunque el promedio anual es ligeramente mas elevado: 33.6 ppbv³ contra 26.6 ppbv.

En los diagramas de cajas de la figura 4 se presentan los datos de concentracion de ozono en el periodo 2012-2013. Allı se observa que los valores más bajos (30.5 ± 5.8 ppbv) se dan entre diciembre y mayo durante la epoca húmeda en tanto que el valor más elevado (41.0 ± 6.8 ppbv) corresponde a la primavera, que coincide con la epoca de quemas en la región. Este ultimo valor es ligeramente más alto que el del trimestre JJA, 39.0 ± 6.3 ppbv, que corresponde típicamente a periodo seco pero con un numero de quemas mucho menor a SON.

Estadísticamente, los datos que exceden el valor maximo (o son menores al mínimo) se definen como

En lo que respecta a los valores por debajo del valor mínimo, estos parecen estar relacionados con transporte de masas de aire con menos precursores, es decir aire limpio, o bien condiciones propicias para la eliminacion de ozono in situ.

El incremento del valor mínimo entre junio y noviembre parece estar relacionado con un aumento regional de la concentracion de ozono, probablemente debido a la quema de biomasa generalizada (chaqueos), como se evidencia en el analisis químico del material particulado.

4.3. Análisis químico de partículas PM ¹⁰

De las muestras obtenidas en la cumbre (ver descripcion en tabla 1) se obtienen concentraciones para varios elementos como levoglucosan, carbono elemental y organico, potasio (en su forma soluble, K+) y otros iones. Las muestras se toman en filtros de cuarzo tanto de día (entre las 9 am y 7 pm) como de noche (de 7 pm a 9 am del día siguiente) de manera intercalada durante 3 a 5 dıas. De estos compuestos se discuten dos en este trabajo: el K+ y el levoglucosan. Ambos son empleados como trazadores de quema de biomasa, siendo el primero un trazador inorganico y el segundo un marcador organico producido exclusivamente por la descomposicion térmica de la celulosa.

La figura 5 muestra las concentraciones obtenidas por semestre para las temporadas extendidas de lluvias (de noviembre a abril, 29 muestras) y seca (de mayo a octubre, 35 muestras). Si bien el K+ se encuentra mas concentrado en la temporada seca (12.97 ng/m³ de dıa y 8.55 ng/m³ de noche) que en a la temporada humeda (5.87 ng/m³ de día y 6.15 g/m³ de (7.98 ng/m³ de día y 4.14 ng/m³

de noche en epoca seca respecto a 0.90 ng/m³ de día y 1.12 ng/m³ de noche en epoca de lluvias). Este marcado comportamiento se debe a la influencia regional del material particulado emitido en temporada de chaqueos.

Respecto a las diferencias entre el día y la noche durante la temporada noche), este contraste resulta mas evidente en el caso del levoglucosan seca (5b y 5d), en el día cuando se detecta una mayor concentracion de ambos trazadores respecto a la noche, lo cual podría dar cuenta de emisiones de fuentes mas cercanas, transportadas por la CLP (ver seccion 4.5).

Finalmente, las concentraciones nocturnas de K+ y levoglucosan medidas en CHC/GAW, asociadas al comportamiento de la CLP, sugieren que estos valores corresponden a los valores encontrados en la troposfera libre de la región.

4.4. LIDAR

Los datos de este instrumento, localizado en Cota Cota, permiten estimar el comportamiento de la CLP en la region. En este caso, sin embargo, no se tienen datos cada día por razones logísticas y presupuestarias. La figura 6 muestra los resultados obtenidos para el 14 de septiembre de 2012. La línea punteada que se muestra en la imagen, generada mediante la aplicacion de la técnica del algoritmo de wavelets (M.Brooks (2003)), muestra la altura de la CLP para diferentes horas del día. Se puede observar que a las 10 de la manana hora local (14:00 UTC) la altura de la CLP se encuentra a los 1200 metros sobre el nivel de la estacion de Cota Cota y que existe una capa residual que se extiende hasta casi los 2000 metros. La actividad convectiva generada por el incremento de la radiacion solar se manifiesta en un rapido incremento en la altura de la capa límite,

llegando a sobrepasar los 2000 metros alrededor del medio día. La imagen tambien nos indica la existencia de nubes alrededor de las 15:30 horas (arriba de 4 km, y por tanto no visibles en la imagen) y que la altura de la CLP y las intrusiones de aire limpio proveniente de la troposfera libre disminuyen por la tarde al disminuir el calentamiento producto de la radiacion solar. La región blanca indica que la altura del Sol en ese periodo del dıa introduce mucho ruido a la senal, debido a la radiación solar, haciendo imposible obtener buenos datos en ese lapso.

La línea negra horizontal de la misma figura, ubicada a 1780 metros sobre la superficie de Cota Cota y por tanto a 5240 m snm, senala la altura a la cual se encuentra la estacion GAW/ CHC. Esto sugiere que la misma podría encontrarse dentro de la capa límite en ciertos momentos del día, especialmente entre las 11 y 16 hora local, y que aerosoles generados en las ciudades de La Paz y El Alto llegan a la estacion bajo las condiciones meteorológicas adecuadas. Es importante mencionar, sin embargo, que el comportamiento de la capa límite descrito para este día no ocurre todos los días y que en diferentes ocasiones la altura maxima de la capa límite sobre Cota Cota no llega a la altura de la estacion GAW/CHC. Esto no quiere decir necesariamente que la estacion quede en la troposfera libre pues la altura de la superficie tambien juega un papel importante al momento de formar la CLP. Este hecho se estudiara más cuidadosamente más adelante.

4.5. Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS)

En base a las medidas tomadas desde enero del 2012 hasta diciembre 2013 se caracterizo la variabilidad estacional y diurna de la distribucion de tamanos en el rango de 10 a 500 nm en la estación Chacaltaya. Se observa que la concentracion de partículas en Chacaltaya no es constante sino que presenta una dependencia con el tamano de las partículas. Ahora bien, si se toman partículas de un diametro dado se puede apreciar que al transcurrir el dıa la concentración de partículas presenta una dependencia temporal (figuras 7a y 7b). Esta dependencia de la concentracion de partículas tanto con el diametro como con el tiempo se la observó en otros estudios realizados en estaciones con similares características atmosfericas a las de Chacaltaya (K.Sellegri et al. (2010)). Si las medidas se separan en epoca seca (JJA) y época húmeda (DEF) claramente se observa que la distribucion de tamaños son diferentes en ambas epocas (figura 7a y 7b).

Similarmente, se observa que en epoca húmeda entre las 10 y 18 horas se registran las mayores concentraciones diarias de aerosoles, pero en menor magnitud comparada con la epoca seca. Un aspecto importante es que el incremento de la carga de aerosoles empieza en el modo Aitken y no en el modo Nucleacion como en la época seca (figura 7b). Este hecho puede estar relacionado con las diferentes condiciones meteorologicas de la estación tales como alta humedad relativa y mayor cantidad de precipitacion. Por otro lado, esta diferencia tambien puede indicar que existe una diferente fuente de aerosoles en esta epoca del año.

Algo que llama la atencion es que a pesar de las muy diferentes condiciones meteorologicas entre epoca seca y húmeda, el incremento en la concentracion de partículas en la estación GAW/CHC ocurre entre las 10 y 11 am (hora local) en ambos periodos. Esto parece estar relacionado con el arribo de precursores y material particulado a la estacion proveniente del area metropolitana de La Paz.

5. DISCUSION Y CONCLUSIONES

Datos obtenidos por diferentes instrumentos operando en CHC/GAW muestran dos cosas de manera clara: a) Existe un marcado incremento de la concentracion de aerosoles entre las 10 y 11 am (hora local) y un descenso lento hasta los valores iniciales alrededor de la media noche. b) A nivel estacional existe un claro incremento de material particulado y marcadores de quema de biomasa vegetal en epoca seca respecto de lo medido en epoca húmeda.

Datos obtenidos por el sistema lidar en el LFA sugieren que el marcado incremento en la concentracion de partículas medido en Chacaltaya (promedio diario) es producto del comportamiento diario de la capa límite. Esto es, Chacaltaya se encontraría en la troposfera libre entre medianoche y 10 am, y dentro de la capa lımite entre 11 am y medianoche aproximadamente. Esto implicaría que la contaminacion producida por el conglomerado urbano llega a CHC/GAW practicamente cada día entre las 10 y 11 am. Aunque los datos diarios sugieren que esto ocurre frecuentemente, los mismos datos tambien sugieren que se necesitan condiciones meteorologicas adecuadas para que dicho material (gases y material particulado) arribe a Chacaltaya. Se requieren estudios mas profundos para establecer con claridad los mecanismos involucrados.

Por otro lado, la alta concentracion de ozono y de marcadores de quema de biomasa vegetal durante la epoca seca, quemas que se producen fundamentalmente en tierras bajas tanto de Bolivia como de países aledanos (Carmona-Moreno et al. (2005)), da cuenta de la representatividad de este sitio a nivel regional. Las medidas de largo plazo corroboran el hecho que humo y gases producto de estas quemas (o productos secundarios) llegan a Chacaltaya a pesar de la altura de la estacion tal como reportan (M.Andrade et al. (2011)).

6. PERSPECTIVAS FUTURAS

NOTAS

¹ Consultada en octubre 10, 2014

² Partes por millon de volumen

³ Partes por billon (10⁹) de volumen. Equivale a la fraccion molar nmol/mol.

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