Caracterización del aerosol atmosférico en la ciudad de Granada mediante fotometría solar y estelar

Resumen

Según el criterio de la Organización Meteorológica Mundial (OMM), el clima es la síntesis del tiempo meteorológico en un periodo de tiempo suficientemente amplio como para establecer sus características estadísticas (valores medios, variancias, probabilidades de fenómenos extremos...). El clima es el resultado de la interacción entre los distintos componentes del Sistema Climático, que incluye la atmósfera, la hidrosfera, la criosfera, la litosfera y la biosfera. Estos subsistemas del Sistema Climático interaccionan entre sí, intercambiando energía, materia y cantidad de movimiento. La fuente fundamental de energía del Sistema Climático tiene un origen exterior al propio sistema y es la energía radiante del Sol. La Tierra absorbe una parte de la radiación solar que incide sobre ella y refleja el resto. Esta energía que entra en el Sistema Climático es redistribuida por las circulaciones atmosférica y oceánica y reemitida en longitudes de onda del infrarrojo térmico al espacio. De este modo, se produce un balance global entre la energía entrante, de origen solar, y la saliente, emitida por la Tierra. Cualquier factor capaz de alterar el intercambio radiativo de la Tierra con el espacio ó que altere la redistribución de energía entre los diferentes componentes del Sistema Climático afectará al clima. Durante los últimos años ha surgido una preocupación generalizada acerca del clima. Según el Cuarto Informe del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, 2007) (Forster et al., 2007), el clima de la Tierra ha cambiado de modo evidente, tanto global como regionalmente, desde la era pre-industrial. Las actividades humanas son responsables, entre otros efectos, de haber incrementado la concentración de algunos gases atmosféricos de efecto invernadero, como el dióxido de carbono, el metano, el óxido de nitrógeno y el ozono troposférico. Las modificaciones en el clima inducidas por estos gases están bien estudiadas y delimitadas. Sin embargo, en el caso del aerosol atmosférico, definido como el conjunto de partículas sólidas y/ó líquidas suspendidas en el aire (a excepción de las nubes) (Horvath, 1998), las incertidumbres son el doble de su valor estimado. La importancia en la caracterización del aerosol atmosférico se debe a sus múltiples efectos sobre el clima. Por un lado, es capaz de dispersar y absorber la radiación solar, produciendo un efecto neto sobre el balance de energía Tierra-Atmósfera. Esto es lo que se conoce como efecto directo del aerosol. Por otro lado, el aerosol atmosférico tiene un efecto indirecto ya que las partículas que componen el aerosol atmosférico pueden actuar como núcleos de condensación de nubes, de modo que un aumento del aerosol atmosférico puede actuar alterando el albedo de las mismas (primer efecto indirecto) y variando el tamaño de las gotas de lluvia (segundo efecto indirecto). Las propiedades ópticas y microfísicas del aerosol atmosférico en columna pueden ser estudiadas mediante técnicas de teledetección pasivas desde superficie. Estas técnicas permiten determinar las propiedades del aerosol atmosférico mediante la detección de la modificación del campo de radiación producida por las partículas que componen el aerosol atmosférico. En este sentido, las técnicas de teledetección pasiva no alteran las propiedades del aerosol. Durante el día, destaca la fotometría solar que realiza medidas de irradiancia directa solar y de radiancia de cielo. La fotometría solar está ampliamente desarrollada, habiéndose establecido varias redes de medidas tanto a nivel global (AERONET, http://aeronet.gsfc.nasa.gov/) como a nivel nacional (RIMA, http://rima.uva.es/). Durante la noche, destaca la fotometría estelar que realiza medidas de irradiancia directa de las estrellas. Esta técnica está mucho menos desarrollada, no habiéndose establecido hasta la presente fecha ninguna red de medidas. Por lo tanto, el avance en el desarrollo de la fotometría estelar es una tarea importante para conocer los cambios en las propiedades del aerosol atmosférico en columna durante la noche, cuando las fuentes emisoras de partículas están menos activas y las condiciones atmosféricas son muy distintas. Esta tesis doctoral, titulada "Caracterización del Aerosol Atmosférico en la Ciudad de Granada mediante Fotometría Solar y Estelar" es el resultado del trabajo investigador realizado durante cuatro años. La tarea fundamental ha sido la puesta a punto del fotómetro estelar EXCALIBUR, incluyendo la instalación del instrumento en la estación del Centro Andaluz de Medio Ambiente (CEAMA) en la ciudad de Granada. Esta tarea ha implicado también la calibración del instrumento en el Centro Astronómico Hispano-Alemán de Calar Alto. Posteriormente se ha comprobado el estado de la calibración en la estación del CEAMA en noches con carga baja y estable de aerosol. Todos estos aspectos se muestran en el capítulo 3 de esta tesis doctoral. Tras la calibración y puesta a punto se han realizado medidas rutinarias, obteniéndose una base de datos de más de dos años y medio de medidas de irradiancia directa de estrellas. Durante el desarrollo de la tesis doctoral se ha desarrollado la metodología y algoritmos necesarios para la operación del fotómetro estelar. En primer lugar, se han desarrollado los procedimientos necesarios para calcular la profundidad óptica de aerosoles a partir de medidas de irradiancia directa estelar. Por otro lado, se ha implementado una nueva metodología para calcular el contenido de agua precipitable a partir del cálculo de transmitancia de vapor de agua entorno al canal de 940 nm. Posteriormente se ha conseguido caracterizar los errores sistemáticos y aleatorios introducidos por la turbulencia atmosférica, y además se ha implementado un algoritmo fiable y sencillo para el filtrado de nubes en la serie nocturna de la profundidad óptica de aerosoles. Todos estos procedimientos quedan descritos en capítulo 4 de esta tesis doctoral. Se ha implementado la metodología necesaria para obtener la distribución de tamaño del aerosol atmosférico en columna a partir de medidas espectrales del mismo. Estos aspectos quedan recogidos en el capítulo 5 de esta tesis. Finalmente, se ha analizado la serie de medidas para más de dos años de medidas correlativas con los fotómetros solar y estelar. Esto nos ha permitido la caracterización día-noche de los patrones anuales, estacionales y diarios de las propiedades en columna del aerosol atmosférico. También se han estudiado las propiedades en columna del aerosol para las distintas masas de aire. Todos estos análisis se han realizado en el capítulo 6. Durante el desarrollo de este trabajo se han realizado campañas de calibración en el Centro Astronómico Hispano-Alemán de Calar Alto, donde se ha colaborado en la caracterización de la calidad del cielo para realizar medidas astronómicas. También se han realizado estancias en el Leibniz Institute for Tropospheric Research (Leipzig, Alemania) y el Institute of Science and Technology (Gwangju, Corea del Sur). Durante estas estancias se trabajado en un código alternativo para obtener propiedades microfísicas del aerosol a partir de medidas de irradiancia solar/estelar directa. Este código es utilizado ampliamente para la obtención de propiedades microfísicas a partir de medidas con sistemas de teledetección activa como el sistema Lidar.