Medición de los niveles de irradianza UV

Medicion de los niveles de irradianza UV-B de 305,5 nm en Arica, Norte de Chile
J. Cortes1, M. Rivas2, 3, E. Rojas2, E. Santander1, R. Fuentes4
1.
Grupo de Radiación Solar Ultravioleta y Ozono, Departamento de Química, Facultad de Ciencias,
Universidad de Tarapacá, Casilla 7-D, Arica, Chile,
2.
Grupo de Radiación Solar Ultravioleta y Ozono, Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad
de Tarapacá, Casilla 7-D, Arica, Chile,
3.
Centro de Investigación del Hombre en el Desierto. Universidad de Tarapacá. General Velásquez
1775,Arica-Chile,
4.
Departamento de Mecánica. Facultad de Ingeniería. Universidad de Tarapacá.
Resumen
Se han realizado mediciones de radiación solar ultravioleta de 305,5 nm mediante el equipo
terrestre MICROTOPS-II, en Arica (Latitud 18°28’S – Longitud 70°18’W – h = 20 metros
sobre el nivel del mar) en el periodo 2000- 2002 en torno al mediodía solar. Los valores
observados muestran un comportamiento en directa relación a la estacionalidad, con los
mayores niveles de irradianza UV-B en los meses de Octubre - Febrero y los menores en el
periodo Mayo- Julio. En los dos últimos años del periodo de estudio (2001-02) se observó
un incremento promedio de la radiación ultravioleta de un 15% ± 3% en comparación al
año 2000. Se midió el espesor de la capa de ozono en horarios similares a las mediciones de
irradianza ultravioleta. Los valores observados para ozono muestran un comportamiento
estacional característico para estas latitudes, con valores máximos hacia fines de Invierno
(Agosto-Septiembre) y valores mínimos en época de Verano. El espesor de la columna de
ozono sobre la vertical del lugar mostró una disminución de aproximadamente un 5% ± 2%
en los dos últimos años del estudio. Este comportamiento se puede correlacionar con el
incremento observado en los niveles de irradianza ultravioleta en 305,5 nm; no obstante
esta disminución en el espesor de la capa de ozono no cubre totalmente el incremento de
radiación medido, debiendo explicar la diferencia por intermedio de otros factores. En
relación al comportamiento de los aerosoles a 1020 nm, los resultados muestran una
tendencia promedio similar en los tres años de estudio, lo que conduce a concluir que es un
factor que no está jugando un papel importante en las diferencias de irradianza ultravioleta
observadas.
19
I. Introducción
Observaciones satelitales y de estaciones terrestres claramente han demostrado que la
columna total de ozono está decreciendo no sólo en latitudes altas sino que también a
latitudes medias en los hemisferios Norte y Sur (Harris et al, 1997). A latitud 45°N, la
tendencia en el promedio anual observado en el periodo 1/1979 a 5/1994 ha sido – 4,6%
por década (WMO, 1995). Este deterioro trae como consecuencia un incremento en los
niveles de UV-B que puede resultar muy perjudicial para los sistemas biológicos del
planeta (WMO, 1994. Es por ello que cobra creciente importancia determinar la irradiancia
solar en este rango espectral que llega a la superficie terrestre y correlacionarla con los
valores de la capa de ozono.
El conocimiento detallado de la radiación solar próxima a 305 nm es de gran importancia,
ya que tiene una marcada implicancia biológica por estar cerca del máximo de efecto de
daño al ADN y de carcinogénesis (Jagger,1985).
Las características geográficas propias de Arica, la ciudad chilena más cercana al Ecuador,
rodeada por desierto y mar, hace que ésta sea una de las ciudades donde se reciben elevados
niveles de dosis eritémicas que se encuentran entre los más altos del planeta y constituye
una zona natural de investigación de este tipo de radiación.
La absorción por ozono estratosférico es sólo uno de los varios procesos que determinan el
nivel de la irradianza UV en la superficie terrestre. Otro proceso es la dispersión de la luz
solar por las nubes la cual actúa no sólo en reducir la irradianza UV sino también en
aumentar su variabilidad a lo largo del año; en adición la absorción por contaminantes
atmosféricos y dispersión por aerosoles podrían contribuir a enmascarar la esperada
amplificación en radiación UV-B. Las dificultades en aplicar estrictos estándares en la
estabilidad y calibración de instrumentos, en conjunto con la suerte de tener una serie de
datos de largos periodos, contribuyen a la dificultad de correlacionar el ozono y la radiación
ultravioleta, excepto para limitadas evidencias directas como es el caso en la región
inmersa en el agujero del ozono antártico.
El lugar geográfico donde se realizó este estudio (Arica, 18°28’S, 70°18’W) presenta las
características climáticas de una zona costera desértica, con la presencia de una gran
nubosidad en las mañanas, con la tendencia general de despejarse hacia el mediodía,
especialmente en las épocas de otoño-invierno. Esta situación especial permite la medición
de la irradianza UV en condiciones de cielo claro en un gran número de días al año, con la
presencia de una nubosidad parcial localizada que no obstruye en la mayoría de los casos el
sol directo ni se presenta las relevantes “internubes” que interfieran en las mediciones de la
radiación ultravioleta directa. Por consiguiente, para este tipo de mediciones no es
necesario contar con la situación extrema de cielo completamente despejado sino que se
tiene un espectro más amplio de situaciones en las que es posible efectuar las mediciones
(Micheletti, Luccini y Piacentini, 2000)
20
II. Instrumentación
El equipo MICROTOPS– II es un fotómetro solar manual que mide radiación solar UV-B
directa y ozono, así como otros parámetros atmosféricos tales como la columna de vapor de
agua y el espesor óptico de aerosoles.
El instrumento está provisto con cinco colimadores ópticos alineados con precisión, con un
campo visual total de 2,5° y bafles interiores que eliminan las reflexiones internas. Cada
canal está sujeto a un filtro de interferencia de banda angosta y un fotodiodo conveniente
para el rango de longitud de onda particular. Todos los colimadores se encapsulan en un
bloque óptico de aluminio para efectos de estabilidad.
Un marcador solar y un apuntador adecuado se conectan permanentemente al bloque óptico
y un láser alineador permite asegurar la alineación exacta con los canales ópticos. Cuando
la imagen del sol se centra en el marcador solar, indica que todos los canales ópticos están
mirando directamente el disco solar. También se captura una cantidad pequeña de radiación
circunsolar pero que hace solo una pequeña contribución a la señal.
La radiación capturada por los colimadores y luego filtradas inciden en los fotodiodos,
produciendo una corriente eléctrica proporcional a la energía radiante interceptada por los
fotodiodos. Estas señales se amplifican y se convierten a la forma digital en un convertidor
A/D de alta resolución. Las señales provenientes de los fotodiodos son procesadas en serie,
a una velocidad de veinte conversiones por segundo, permitiendo que los resultados puedan
tratarse como si los fotodiodos fueran leídos simultáneamente.
El ozono absorbe mayor radiación en el rango ultravioleta, que en longitudes de onda más
largas. Esto significa que la cantidad de ozono entre el Sol y el observador es proporcional
a la razón de dos longitudes de onda de la radiación ultravioleta solar.
El instrumento MICROTOPS-II usa esta relación para calcular la columna de ozono total
(el espesor equivalente de la capa de ozono puro a la presión y temperatura estándar) a
partir de las mediciones de tres longitudes de onda en la región de UV, basándose en el
método de Langley. Similarmente, como en el instrumento Dobson tradicional, la medición
de una tercera longitud de onda adicional permite una posible corrección para una
particular desviación de la luz.
El equipo MICROTOPS-II fue calibrado mediante comparación con espectrofotómetro
Dobson y los datos experimentales obtenidos se procesaron mediante un método gráfico
multivariacional. Los datos correspondientes al espesor de la columna de la capa de ozono
sobre la vertical del lugar de estudio, fueron obtenidos desde el instrumento TOMS de la
NASA. Los valores relacionados con el espesor óptico de aerosoles a 1020 nm fueron
correlacionados con los datos del equipo AERONET a valores similares de horario y en los
mayores niveles de irradianza UV-B de 305,5 nm observados ( en torno a los menores
ángulos zenitales del día correspondiente).
21
III. Análisis de datos y resultados
UV-B 305,5 nm W/m2
La figura 1 muestra los niveles máximos diarios de irradianza UV-B en 305,5 nm medidos
con el equipo Microtops II en el período Abril-Diciembre de los años 2000-2001-2002.
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
120
2000
2002
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
DIA
Figura 1. Irradianza UV-B 305,5 nm. Abril-Diciembre 2000-2001-2002
Arica. Latitud 18°28’ S – Longitud 70°18’W – h = 20 msnm
Los valores observados muestran un comportamiento en directa respuesta a la
estacionalidad, con los mayores niveles de radiación hacia la época de primavera (OctubreDiciembre) y menores niveles en la época de fines de otoño-comienzos de invierno.
Al comparar los valores medidos de irradiación en 305,5 nm en los tres años de estudio,
podemos observar un incremento en los niveles de radiación que alcanzan la superficie en
los años 2001-2002, en un rango promedio de 15% ± 3% en relación al año 2000,
especialmente en los periodos Mayo-Junio y Octubre-Diciembre.
Este posible incremento en la irradianza UV-B en 305,5 nm, se puede atribuir a diversos
factores, tales como la disminución del espesor de la capa de ozono en la zona de estudio,
la menor presencia de aerosoles absorbentes en los dos últimos años en estudio, la
disminución de la nubosidad, la inferencia de una mayor irradianza por el ciclo solar, los
problemas de una estricta calibración del equipo que midió los niveles de irradianza, etc.
Con el objetivo de correlacionar los niveles de irradianza UV-B en 305,5 nm al
comportamiento estacional de la capa de ozono sobre la vertical del lugar, se presentan los
valores para ozono, obtenidos del instrumento TOMS de la NASA, en la época de estudio
(Figura 2) en horario similar en que se midió la correspondiente irradianza UV-B.
22
350
340
330
320
310
300
290
UD 280
270
260
250
240
230
220
210
200
2000
2002
2001
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
DIA
Figura 2. Espesor de la capa de ozono. Marzo-Diciembre de los años
2000-2001-2002. Arica. Latitud 18°28’S-longitud 70°18’W
La capa de ozono presente en la vertical del lugar de estudio muestra un comportamiento
estacional característico para estas latitudes, con valores máximos hacia fines de invierno
(Agosto-Septiembre) y valores mínimos en Otoño (Mayo-Junio) y Verano (Diciembre y
meses posteriores).
Al comparar los niveles del ozono total para los años en estudio se puede observar una
disminución de los valores en los años 2001 y 2002, en relación al año 2000, en un rango
promedio de 5% ± 2%. Esta conducta es mostrada en la figura 2 por las líneas de tendencia
polinomial de sexto orden y que corresponden a cada año en que se realizó este estudio.
La disminución observada en el espesor de la capa de ozono, especialmente en el año 2002,
que oscila en un valor promedio de un 5%,especialmente en los meses de Mayo-Junio y
Octubre–Noviembre, se puede relacionar con el incremento observado en la irradianza UVB en 305,5 nm y que de acuerdo a la información reportada en diversos trabajos se debe
reflejar en un aumento en la irradianza recibida en la superficie de un valor cercano al
doble del decrecimiento de ozono. Lo anterior estaría en buena concordancia con lo
observado en los niveles de irradianza en 305,5 nm (Figura 1), que mostraban un
incremento en un rango promedio de 15 % ± 3 %. La diferencia cercana al 5% del total, con
respecto al efecto por variación en el espesor de la capa de ozono, se puede atribuir a otros
factores que también pueden afectar los niveles de radiación solar, tales como efecto de
nubosidad, presencia de mayor o menor cantidad de aerosoles absorbentes, efecto del ciclo
solar, o a problemas de calibración del equipo que mide la radiación ultravioleta.
Con el propósito de estudiar el posible efecto por aerosoles sobre esta variación en la
irradianza, se entregan los valores medidos del espesor óptico (AOT) en 1020 nm medidos
por el equipo Microtops II en horario similar a las mediciones de ozono y de irradianza
UV-B de 305,5 nm ( Figura 3 ).
23
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
2000
0,2
0,1
2002
2001
0
90
110
13 0 15 0
17 0 19 0
2 10
23
25
27
29
0
0
0
0
3 10
33
35
37
39
0
0
0
0
Dia
Figura 3. Espesor óptico de aerosoles(AOT) a 1020 nm. Abril-Diciembre
Años 2000-2001-2002. Arica. Latitud 18°28’S-Longitud 70°18’W
El comportamiento observado en los aerosoles muestra una tendencia promedio similar en
los tres años de estudio, lo cual conduce a postular que este parámetro no estaría jugando
un papel importante en el incremento observado en la irradianza ultravioleta.
De acuerdo a los valores obtenidos para el espesor de la capa de ozono y en el espesor
óptico de los aerosoles, podemos inferir que el incremento observado en la irradianza UV-B
en 305,5 en los años 2001 y 2002, con respecto al año 2000, debería estar relacionado
principalmente a las variaciones en el ozono y que la diferencia con respecto al total del
incremento se debieran buscar en los parámetros que no se pudieron medir en las
condiciones de trabajo. Es difícil sacar conclusiones concernientes a la radiación UV-B que
incide sobre la superficie terrestre debido principalmente a problemas de instrumentación
relacionadas a su estabilidad térmica y dificultades de calibración. ; además la radiación
ultravioleta es afectada no solo por el ozono, sino que también por la nubosidad, aerosoles,
polución y albedo terrestre, ya que estos problemas pueden influir fuertemente sobre la
determinación de los cambios en la radiación ultravioleta, aún cuando se realicen
calibraciones continuas y cuidadosas del espectrofotómetro. Esto podría explicar, al menos
parcialmente, el gran incremento de la radiación ultravioleta medida a 305,5 nm con
respecto al que se espera de los cálculos inferidos por los modelos de transferencia radiativa
basados en el observado cambio del espesor de la capa de ozono. Los resultados obtenidos
en este trabajo (Figuras 4 y 5) muestran que la anticorrelación entre la radiación
ultravioleta a 305,5 nm y el ozono es evidente.
24
0,12
310
OZONO
UV-B 305,5 nm W/m
2
0,10
300
290
0,08
280
0,06
270
0,04
UD
260
250
0,02
240
0,00
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
DIA-AÑO 2002
UV-B 305,5 nm. W m
-2
Figura 4.- Espesor de la capa de ozono y niveles de irradianza
UV-B 305,5 nm.. Abril- Diciembre – 2002. Arica
0 ,0 8
310
0 ,0 7
300
0 ,0 6
290
0 ,0 5
280
0 ,0 4
270
0 ,0 3
260
UD
250
0 ,0 2
U V -B
O ZO NO
0 ,0 1
120
140
160
180
200
220
240
260
280
240
300
320
340
360
D IA -AÑ O 2 0 0 0
Figura 5.- Espesor de la capa de ozono y niveles de irradianza
UV-B 305,5 nm. Abril- Diciembre- 2000.Arica.
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Referencias
Harris,N.R.P., Ancellet G., Bishop,L., Hoffmann,D.J., Kerr,J.B., McPeters,R.D.,
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assessment
of
ozone
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Micheletti,M.J., Luccini,E.A., Piacentini,R.D., “Medición absoluta y modelización de
radiación solar espectral directa de 305,5 nm en Rosario, Argentina (2000).
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