Variacion del espesor óptico de aerosol en la estacion antartica peruana Machu Picchu
Variation of aerosol optical depth in the antarctica peruvian Machu Picchu station
Julio Angeles Suazo
Direccion de Investigación de la Universidad Continental Huancayo, Peru.
Email: julio_as_1@hotmail.com
Roberto Angeles VAsquez ]]>
Resumen
En este trabajo se describe los resultados del estudio del espesor optico de aerosol (EOA) durante la campaa de mediciones y monitoreos realizada en la XVII y XXI Expedicion Antartica Peruana (enero de 2007 y febrero de 2013 respectivamente), en la Estacion Cientıfica Antartica Machu Picchu (ECAMP) a 62°05'30" S, 58°28'16" W y 6 msnm. Se utilizo un fotometro solar SP02-L, comprendido dentro del marco instrumental del Ano Polar Internacional, que dispone de 4 canales: 412 nm, 500 nm, 675 nm y 862 nm, lo que permitio medir espectros de irradiacion directa. El resultado calculado para el promedio del EOA en latitudes polares es 0,0551 ± 0,0139, que es el valor mas bajo del mundo (en el canal de 500 nm) durante los veranos australes de 2007 y 2013; en estos anos el EOA (500 nm) vario entre 0,0336 y 0,0743, lo que es típico por las condiciones de turbidez atmosferica en un sitio polar dominado por las condiciones marítimas. Durante esta epoca del año los valores del EOA también son inferiores a los registrados en las ciudades (entre 0,25 y 1, 7), y mucho menores que los registros durante la quema de biomasa, temporada donde los valores de EOA pueden llegar hasta 0,4. Los valores reportados de EOA (500 nm) estan dentro del rango de las estaciones Antarticas costeras de la estación de Neumayer y Aboa, que son 0,06 y 0,0551 respectivamente.
Codigo(s) PACS: 92.60.Mt, 07.05.Hd, 93.30.Ca
Descriptores: Partículas y aerosoles — Adquisicion de datos — Antártida.
Abstract
We describe the results of the study of aerosol optical depth (AOD) aerosols, obtained from the measurement and monitoring campaign carried out during the XVII and XXI Antarctic Peruvian Expedition in the months of January 2007 and February 2013 respectively, in the Antarctic Research Machu Picchu Station (ARMPS) at 62°05'30" S, 58°28'16" W and 6 masl. We used a SP02-L sun photometer, which is within the instrumental framework of the International Polar Year. This instrument has 4 channels: 412 nm, 500 nm, 675 nm and 862 nm, thus allowing direct radiation spectra measurements. The results calculated of AOD in polar latitudes show the lowest average in the world, 0.0551 ± 0.0139 (at 500 nm) during the austral summers of 2007 and 2013; also during these years the AOD (500 nm) ranged from 0.0336 to 0.0743, which is typical in conditions of atmospheric turbidity on a polar site dominated by sea conditions. During this time of year, these AOD reported values are lower than in cities (from 0.25 to 1.7) and much lower than the measurements during biomass burning, when values can reach 0.4. The reported AOD values (500 nm) are within the range of coastal Antarctic stations Neumayer and Aboa which are 0.06 and 0.0551 respectively.
]]> Subject headings: Particles and aerosols — Data acquisition — Antarctica.
1. INTRODUCCION
Los aerosoles son una pequena fracción de la composicion de la atmósfera, pero son omnipresentes para todas las localidades con implicaciones importantes para la quımica y física de la atmosfera, el clima y la salud humana (Poschl 2005). Pueden ser emitida a partir de fuentes naturales y antropogenicas y sus concentraciones pueden tener valores típicos en el aire urbano de ~ 105 partículas por cm~3 de aire y concentraciones tan bajas como 10 partıculas por cm~3 en los sitios polares. Nominalmente los aerosoles se denominan como "una suspension en un medio gaseoso de partículas solidas, partıculas líquidas o partículas solidas y líquidas que tienen una velocidad de caída insignificante (ISO 1994). En relacion con los aerosoles del cambio climatico están definidos por el IPCC 2007 por el Cuarto Informe de Evaluacion del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climatico (Forster et al. 2007), como "una colección de partículas solidas o líquidas suspendidas en el aire, con un tamano típico de entre 0,01 y 10 micras que residen en la atmosfera durante al menos varias horas" (para tener un efecto sobre el clima). Extensos estudios de investigacion mostraron que los aeros1oles atmosfericos afectan el clima de dos maneras. El primero se llama "efecto directo" por el cual las partículas de aerosoles dispersan hacia atras la luz solar entrante (onda corta) al espacio, lo que afecta el balance de radiacion global. Esto provoca un aumento del albedo de la Tierra, y se traduce en una influencia de enfriamiento neto sobre el clima. Una amplia investigacion sugiere que los aerosoles y sus interacciones con las nubes han compensado una parte sustancial de la media mundial del forzamiento de gases efecto invernadero mezclados. (IPCC, 2014). La segunda manera "el efecto indirecto" se relaciona con la propiedad de los aerosoles de actuar como nucleo de condensación de las nubes (CCN). Así que su variabilidad afecta al numero, densidad y tamano de gotas de las nubes. Esto puede cambiar la cantidad y las propiedades opticas de las nubes, y por lo tanto su reflexion y absorción (Tao et al. 2012). Este efecto indirecto es mas difícil de entender que el efecto directo ya que los procesos físicos y quımicos implicados que se producen en la atmosfera son aún más complejo.
Intensa investigacion se ha realizado para discriminar estos papeles clave de los aerosoles sobre el clima. Monitoreo de sitios de propiedades opticas se han implementado en los ultimos años y las campanas intensivas se han realizado para caracterizar sus propiedades químicas y físicas, así los procesos atmosfericos que influye en el transporte de aerosoles en diferentes lugares del mundo (Martin et al. 2010; Ramanathan et al. 2007; Niranjan et al. 2011; Delene & Ogren 2002). Las mediciones en sitios polares son escasos a pesar de que es una region crítica para los efectos adversos del cambio climatico y en el balance de energía (Tomasi et al. 2007). Los aerosoles en sitios polares se componen de una mezcla de partículas muy pequenas, sobre todo de origen marino. Sin embargo, muy diferentes cargas columnares y caracterısticas de composición química se encontraron en las dos zonas polares. Debido a las fuentes de altas emisiones de aerosol, el hemisferio norte tiene valores de concentracion superior. En ese sentido el transporte de aerosol a partir de fuentes contaminantes puede ser un factor importante para la alteracion. En la Antártida valores de espesor optico de aerosol en sitios costeros tienen valores típicos entre 0,02 y 0,08. Las principales variaciones fueron causadas por las erupciones Pinatubo y Cerro Hudson en 1991, que causo valores de EOA (500 nm) superior a 0,30 en el verano austral 1991/1992 (Herber et al. 1996).
Comunidad investigadora peruana tiene un interes especial en la Antártida por lo que tienen una estacion de investigación en los que ha estado haciendo campanas anuales para evaluar propiedades de los aerosoles sobre todo el espesor optico de aerosol (EOA) como una medida de la luz sea dispersada o absorbida por las partículas de aerosol. Aunque no se encontraron variaciones importantes en los promedios de EOA en los tiempos medidos con el fotometro solar en lugares de la Antártida (Tomasi et al. 2007). Hay una necesidad de mejorar la comprension del papel de los aerosoles en el forzamiento radiativo en sitios libre de contaminacion y su posible variación debido a las actividades antropogenicas. Este trabajo se centra en la evaluacion de efecto de la variación del EOA en la Estacion Científica Antartica Machu Picchu (ECAMP), basado en las campanas durante el verano austral del 2007 y 2013.
2. DATOS Y METODOS
2.1. Descripción del Sitio
]]> La Estacion Científica Peruana en la Antartida "Machu Picchu" (referido como ECAMP, 62°05'30"S', 58°28/16'W y 6 msnm) se encuentra en la Isla Rey Jorge, en el extremo norte de la península Antartica (figura 1). Alrededor del 90% de la extension de la isla Rey Jorge esta cubierta por el hielo (Simoes et al. 1999). La estacion peruana se encuentra muy cerca del mar abierto por lo que el regimen climático se caracteriza por las condiciones marítimas. Estaciones brasileras y polaca Antartica son los más cercanos. La estacion peruana solamente funciona durante el perıodo del verano austral de diciembre a marzo como maximo, en función de los aspectos logísticos. Esta estacion es operada por el Instituto Antartico Peruano y en realidad est a cargo de la Oficina de Asuntos Antarticos del Ministerio de Asuntos Exteriores.La estacion más cercana a la estación peruana con mediciones meteorologicas continuas es la estación antartica brasileña Comandante Ferraz, está a sólo 5 km de la peruana. Registros de temperatura para el período de 1947 - 1995 muestra que la media es —2,8°C, con un mınimo de 5, 2°C y un maximo de -0,8°C, para el año 1959 y 1989, respectivamente. Se mostro una tendencia al calentamiento de 0,022°C por ano, lo que resulta en un aumento de la temperatura media del aire de mas de 49 años 1.1°C. La temperatura durante el verano, en la temporada que abarca la toma de muestras de aerosoles en la estacion peruana, podría llegar a algunos grados mas de 0oC, con una media de 0, 9oC (Ferron et al. 2004). Las tormentas son muy frecuentes en esta region de la Península Antartica, donde la velocidad del viento es superior a 4 m/s con una alta variabilidad debido a los patrones de circulacion sinópticos como los siguientes que se describen por Braun et al. (2001):
a) Adveccion de norte a noroeste
b) Transporte de masa de aire del sur al sureste,
c) Adveccion desde el noroeste
d) Adveccion de oeste a suroeste
2.2. Instrumento
Las campanas de campo para la toma de mediciones con el fotometro solar se realizaron durante las campanas antarticas peruana: ANTAR XVII (enero de 2007 y ANTARXXI (enero y febrero de 2013). El trabajo de campo en la ECAMP fue programado con el objetivo principal de la cuantificacion de la EOA como un indicador de la contaminacion atmosferica y evaluar su variación entre los diferentes anos de mediciones.
]]> El principal instrumento utilizado fue el fotometro solar que recoge informacion sobre las propiedades físicas y opticas de los aerosoles a lo largo de una trayectoria vertical de la atmosfera. Este fotómetro solar SP02 - L, se utiliza para medir la irradiancia solar en Volts a cuatro longitudes de onda diferentes que son nominalmente 412, 500, 675, 862 nm con 10 nm de ancho de banda (Middleton 2004). En este modelo mejorado tiene un campo de vision de 2, 5o (1,25° angulo de apertura), un ángulo de inclinacion de 0,7o y un angulo límite de 1,8°.2.3. Espesor Optico de Aerosol
La irradiacion solar directa medido con este fotometro solar se utiliza para describir los valores espectrales del espesor optico de aerosol (EOA) asociada a cada longitud de onda que se determinan con base en la conocida ley de Lambert-Bouguer-Beer.
Donde I(
) es la intensidad solar a cada longitud de onda en Volts, I0() es el valor de la intensidad solar en la parte superior de la atmosfera (TOA) obtenidos por el metodo de Langley-plot en Volts, R es la distancia solar expresado en unidades astronomicas, m es la masa optica del aire y 
() es el espesor optico total dependiendo de la longitud de onda. Donde se puede expresar como la suma de los distintos constituyentes de la atmosfera.
Donde a() es el espesor optico de aerosol, R() es el espesor optico de Rayleigh-Scattering, y O3() es el espesor optico del ozono (Liou 2007). El espesor optico de Rayleigh (EOR), conocido también como espesor optico de Rayleigh-scattering, es calculado usando la ecuacion 3 de Bodhaine et al. (1999) donde la longitud de onda, , esta en micrómetros.
El espesor optico de ozono depende de la concentracion de la columna de ozono total (
) en unidades Dobson como se señaló en la ecuación 4. Este valor se obtiene a traves de mediciones de Ozone Monitoring Instrument (OMI) instrumento de satelite Aura (Levelt et al. 2006), y el uso de los coeficientes de absorcion de ozono (a) para las longitudes de onda de 412, 500, 675 y 8624 nm que tienen los siguientes valores 0,000295974375, 0,031997375, 0,0401001875, 0,00247309125 respectivamente.
3. RESULTADOS
3.1. Calibración
El usual procedimiento para la calibracion del fotometro solar es el clásico método de Langley plot que esta basado en la extrapolación de la señal espectral I() en Volts para la determinacion de la constante extraterrestre, I0() (m = 0) de la ecuacion 5 que resulta de la regresion lineal de la ecuación 1, obtenido reduciendo el logaritmo en los dos terminos. Así, el intercepto de la regresion lineal de ln(I()R2) versus m (masa optica del aire) resulta que sean igual al logaritmo natural de la constante de calibración I0().
Para adecuar la determinacion del valor de calibracion de I0(),es apropiado considerar solo las mediciones de los periodos de condiciones atmosfericas estables (Reagan et al. 1986). La Figura 2 muestra los mejores resultados Langley-plot para cada longitud de onda del fotometro solar. Es posible tener en cuenta la buena correlacion.
Basado en la calibracion de las intensidades en la parte superior de la atmosfera I0(). El I0() representa la radiacion incidente para una atmosfera limpia sin contaminantes obteniendose las intensidades iniciales de 3,3, 2, 75, 2, 75 and 2,575 volts para las longitudes de ondas de 412, 500, 675 and 862 nm, respectivamente. Resultando el root mean squared difference (RMSD) alrededor de 10-3 para todas las longitudes de ondas indicadas y con ellas es posible establecer la buena calidad de los datos en la determinacion de las intensidades iniciales para cada longitud de onda (Harrison & Michalsky 1994).
3.2. Espesor óptico de aerosol
Para el calculo del EOA, como el primer paso se requiere la determinacion de los valores del espesor optico de Rayleigh (EOR), el espesor óptico de ozono (EOO) y el angulo cenital (SZA) para el análisis de datos. Fue verificado que: (a) EOR tiene valores de 0,1434 a 500 nm, (b) los valores promedio de EOO a 500 nm son alrededor de 0,0089.
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Los registros de EOA en latitudes polares muestran los valores mas bajos del mundo, con los valores mas altos en el Ártico que en la Antártida. La Figura 3 muestra el conjunto completo de registros diarios de EOA durante las campanas antarticas peruanas en la ECAMP, se desarrollo durante los veranos australes de 2007 y 2013. Durante estos anos el EOA (500 nm) vario entre 0,0336 hasta 0,0743, siendo un valor típico por las condiciones de turbidez atmosferica en un sitio polar dominada por las condiciones marıtimas, durante esta época del año (Tomasi et al. 2007), tambien son inferiores a los registrados en las ciudades urbanas, 0,25 - 1, 7 (Castro et al. 2001), y mucho menor que los registros durante la quema de biomasa temporada donde los valores pueden tener valores de hasta 0,4 para las mismas longitudes de onda (Eck et al. 2003).
Asimismo la figura 4, en relacion con EOA, se presentan los valores que se encontraron para cada longitud de onda de trabajo, del total de los registros, pero con una masa de aire solamente con los valores de 2 a 5. Es posible observar que disminuye el EOA a medida que longitud de onda aumenta mientras tanto la interaccion entre la radiación y los aerosoles aumenta, siendo la longitud de onda a 862 nm la que tiene la mayor variacion causada por el efecto de los aerosoles en el que el valor medio y el coeficiente de variacion de EOA a 500 nm y 862 son 0,0551 ± 0,0139 y 0,0255 ± 0,0177, respectivamente.
Comparando estos valores con otras estaciones de monitoreo de la Antartida, la ECAMP presenta una media de EOA (500 nm) de 0.0551 dentro del rango de otras estaciones Antarticas. Ya que el EOA que registro la estación de Neumayer y Aboa eran 0,06 y 0,0551, respectivamente. Estos sitios tambien están muy cerca de la costa, donde la influencia es mayor de los aerosoles marinos. Asimismo sitios Continentales, lejos de la costa, presentan valores mas bajos. El EOA en las estaciones de Kohne y Suth Pole eran valores tan bajos de 0,015 (Tomasi et al. 2007).
La comparacion entre la ECAMP y la otra estación ofrece la evidencia de los principales e importantes diferencias de las propiedades opticas de los aerosoles. Sitios polares tiene un ambiente relativamente muy limpio, pero tienen una fuerte influencia de las partículas, muy pequenas, sobre todo de origen marino y, finalmente, a partir de fuentes antropogenicas y las condiciones de turbidez que suele estar presente en el verano y el otono, debido a los vientos fuertes dominantes que transporta neblina y polvo (Shaw 1982).
4. CONCLUSIONES
El presente trabajo analizo las medidas del espesor optico de aerosol durante las campañas antarticas peruanas de los anos 2007 y 2013. Los valores esperados de EOA fueron muy bajas durante estos anos, el EOA a 500 nm varion de 0,0336 hasta 0,0743, pero era mas alto que otros sitios marítimos cerca de la Península Antartica alejados de la zona costera. Es cierto que el aire es limpio en regiones polares, pero tienen una mezcla de partıculas muy pequeñas principalmente de origen marino y a las condiciones de turbidez que suelen aplicar en verano y en otono, como los fuertes cambios debidos al transporte de bruma y polvo. Asimismo se permitio cuantificar el EOA en la ECAMP, con la finalidad de proveer y contribuir al estudio futuro de los efectos de los aerosoles en el balance radiativo y sus efectos climaticos en la Antartida.
AGRADECIMIENTOS
]]> Agradecimientos al Instituto Antartico Peruano por su apoyo en la realizacion de las mediciones y elaboracion del presente artículo como parte de la expedicion antartica.
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