Estudios sobre radiación UV en la región de Arica, Norte de Chile

Estudios sobre radiación solar UV en la región de Arica, Norte de Chile
Eduardo Luccini1, Miguel Rivas2,3, Elisa Rojas2, Juan Cortés2 y Rubén Piacentini 4,5
1.
Programa de Estudios de Procesos Atmosféricos en el Cambio Global (PEPACG), UCA/CONICET,
Facultad de Ciencias Agrarias UCA, Ramón Freire 183, 1426 Capital Federal, Argentina. e-mail:
[email protected]
2.
Grupo de Radiación Solar Ultravioleta, Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de
Tarapacá, Casilla 7-D, Arica, Chile.
3.
Centro de Investigaciones del Hombre en el Desierto, Universidad de Tarapacá, Av. Gral Velásquez 1775,
Arica, Chile
4.
Grupo de Energía Solar, Instituto de Física Rosario (CONICET-UNRosario), 27 de febrero 210 Bis, 2000,
Rosario, Argentina.
5.
Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura (UNRosario), Pellegrini 250, 2000, Rosario,
Argentina.
Resumen
Se presenta una revisión de los principales trabajos de investigación realizados
conjuntamente entre el Laboratorio de Radiación Ultravioleta de la Universidad de
Tarapacá y el Grupo de Energía Solar del Instituto de Física Rosario (CONICETArgentina), relativos a la caracterización de los niveles de radiación solar UV y su
variación en el entorno de la ciudad de Arica (18.47ºS, 70.31ºO). Los estudios incluyen la
determinación de la variación angular, anual y en altura de la irradiancia UV, y el índice
UV de riesgo de exposición al sol, sobre la base de mediciones de irradiancia UV y
parámetros relacionados, así como el uso de modelos de transferencia radiativa en rango
UV de comprobada precisión. La revisión se basa en las publicaciones y presentaciones a
congresos que resultaron de los mencionados estudios, y que constituyen los antecedentes
para los nuevos proyectos que ambos grupos de investigación prevén actualmente.
1
I. Introducción
El progresivo deterioro que ha sufrido la capa de ozono en las dos últimas décadas (Herman
et al, 1991, 1993; Bojkov y Fioletov, 1995) puede tener consecuencias importantes sobre
los seres vivos en la Tierra, ante un eventual incremento de la radiación solar ultravioleta B
(UVB: 280-320 nm) atenuada por esta capa (Herman et al, 1996). Esta radiación tiene
suficiente energía para producir daños en sistemas biológicos aunque, en condiciones
normales, longitudes de onda menores que 290 nm prácticamente no llegan a la superficie
terrestre.
Cada especie de ser vivo, y aún distintos individuos dentro de una especie, tienen una
respuesta particular a una dada irradiación UV (Jagger, 1985; Tevini, 1993). A su vez,
distintas partes de un mismo organismo responden de una manera específica, de modo tal
que el estudio de la exposición natural a la radiación solar UV constituye todo un campo en
sí mismo.
En el caso del ozono estratosférico, la medición con instrumentos satelitales ha alcanzado
gran precisión, permitiendo un relevo permanente de todo el planeta. Si bien se ha derivado
irradiancia solar UV y dosis biológicas sobre la superficie de la Tierra a partir de datos de
instrumentos satelitales (Herman et al, 1996), la dependencia de factores tales como la
nubosidad, las partículas en suspensión (aerosoles), la reflectividad del suelo (albedo), la
altura del lugar, el ozono troposférico, etc., hacen más complejo su estudio. La
modelización teórica es también una importante herramienta de análisis y comparación. Por
consiguiente, tanto para la contrastación de datos satelitales como para la verificación de
modelos, es de gran importancia contar con instrumentos y mediciones lo más precisos
posibles.
Hay esencialmente dos tipos de instrumentos físicos de medición de irradiancia solar UV:
los espectrales, que cubren una región del espectro con una separación muy fina de
longitudes de onda (o miden en longitudes de onda fijas con muy buena resolución
espectral) y los de banda ancha, que miden en un rango amplio de longitudes de onda con
respuesta relativa cercana a 1 en todas ellas, o aproximándose a la función respuesta de
algún sistema biológico (llamados usualmente biómetros).
Los biómetros son instrumentos que miden irradiancia solar UV de banda ancha, con una
respuesta espectral que se asemeja al espectro de acción de la piel definido por convención
(McKinlay y Diffey, 1987), es decir miden “irradiancia eritémica”. Para que las mediciones
de cada biómetro correspondan a irradiancia eritémica, es necesario un detallado proceso de
calibración incluyendo la dependencia con aquellos parámetros que presentan mayor
variación espectral en rango UV: la sección transversal de absorción del ozono (columna
total de ozono atmosférico) y la dispersión de Rayleigh (el ángulo zenital solar, SZA).
La región de Arica, en la zona Norte tropical de Chile, tiene una relevancia particular para
este tipo de estudios, dados los elevados niveles de radiación solar UV que allí se registran,
su densidad poblacional y su importancia turística.
2
En este resumen se presentan los resultados de los estudios previos realizados
conjuntamente entre el Laboratorio de Radiación Ultravioleta de la Universidad de
Tarapacá, Arica, Chile, y el Grupo de Energía Solar del Instituto de Física Rosario,
Argentina, y que constituyen la base sobre la cual se proyectan actualmente estudios de
mayor complejidad.
II. a) Estudio de la dependencia angular de la intensidad de irradiancia solar UV
Un primer estudio conjunto entre el Laboratorio de Radiación Ultravioleta de la
Universidad de Tarapacá y el Grupo de Energía Solar del Instituto de Física Rosario (Rivas
et al., 1997) consistió en la medición de irradiancia UV eritémica sobre planos inclinados,
realizadas en horas próximas a mediodía solar y en dos sitios con marcada diferencia
altitudinal: Arica (18.47ºS, 70.31ºO, 23 m s.n.m.) y Copaquilla (18.40ºS, 69.65ºO, 3166 m.
s.n.m.), mediante un detector IL1400A con detector SEL 240 Nº/S 3912 y difusor T2ACT3
Nº/S 15148. Asimismo, se hizo uso de un modelo paramétrico de transferencia radiativa
UV (Luccini, 1996) mediante el cual se realizaron simulaciones para los mismos casos
medidos, empleando valores estimados de las variables atmosféricas de entrada en los
cálculos. Este trabajo permitió cuantificar el comportamiento angular de la irradiancia UV,
establecer niveles referenciales de irradiancia UV en época estival en la región y de efecto
de altura sobre la irradiancia solar UV.
II. b) Estudio de la variación anual de irradiancia solar UV e Índice solar UV
Este estudio (Rivas et al., 2000) significó un importante avance tanto en la calidad de los
datos medidos por el instrumento IL1400A como en los cálculos de irradiancia solar UV.
Respecto de las mediciones, los factores de conversión precisos a irradiancia eritémica se
obtuvieron mediante la medición simultánea del instrumento IL1400A durante los días 8, 9
y 10 de Octubre de 1998 con el biómetro YES UVB-1 Nº/S 970823, perteneciente a la
Universidad Mayor de San Andrés, Bolivia, cuyas mediciones tienen una alta confiabilidad
producto de la campaña de calibración en la que participó en esa misma época (Luccini et
al., 1999). Respecto del cálculo de irradiancia, en este trabajo se empleó un modelo mucho
más sofisticado: el modelo Tropospheric Ultraviolet and Visible (TUV) desarrollado por el
National Center for Atmospheric Research (NCAR-USA), que divide la atmósfera en capas
homogéneas resolviendo explícitamente las ecuaciones de transferencia radiativa en cada
una de ellas.
Para determinar el factor de conversión, dentro de los días de intercomparación se
seleccionaron mediciones simultáneas cada 15 minutos de ambos instrumentos del día 10
de Octubre, que correspondió a cielo completamente despejado desde antes del mediodía
solar, como se observa en la figura 1.
3
0,35
Irradiancia
eritémica
Irradiancia
efectiva IL 1400A
0,30
Irradiancia [W/m2]
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Día fraccional
Figura 1: Mediciones simultáneas del instrumento IL1400A y del biómetro YES UVB-1
durante el día 10/10/1998, seleccionado para obtener el factor de conversión de las
mediciones del IL1400A.
En la figura 2 se muestran los valores individuales y el promedio del factor de conversión
obtenido en condiciones de cielo despejado para SZA de hasta 42º, que es el máximo SZA
a mediodía solar durante el año en el lugar. Como se observa, dentro de ese rango de SZA
el factor de conversión muestra una pequeña dispersión menor que 3%, de modo que se
puede considerar constante. El valor determinado del factor de conversión es de 3.23 ±
0.07. Dado que la capa de ozono presenta escasa variación durante el año en la región
tropical, y que los aerosoles determinan un espesor óptico de suave dependencia con la
longitud de onda, el factor se puede considerar único a lo largo del año.
3,40
Factor de conversión
3,35
3,30
3,25
Factor medio
3,20
3,15
3,10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Ángulo zenital solar
Figura 2: Factor de conversión de las mediciones de irradiancia efectiva del instrumento
IL1400A de Arica e irradiancia eritémica, para el rango de ángulos zenitales de mediodía
solar durante el año en el lugar.
La figura 3 presenta las mediciones convertidas a irradiancia eritémica durante el período
Junio 1998/Julio 1999 a mediodía solar, sin distinción de nubosidad.
4
0.4
16
12
10
0.2
8
6
Indice Solar Ultravioleta
0.3
2
Irradiancia eritémica (W/m )
14
Mediciones
Modelo
4
0.1
2
0.0
100
200
300
400
500
0
600
Día consecutivo (1= 01/01/1998)
Figura 3: Irradiancia eritémica en Arica a mediodía solar, sin distinción de nubosidad,
entre Junio de 1998 y Julio de 1999, inferida de las mediciones del instrumento IL1400A
aplicando el factor de conversión. Los períodos sin mediciones se deben a dificultades en
la adquisición de datos. La curva modelizada corresponde a condiciones de cielo
despejado, calculada en base a valores medios mensuales TOMS/EP de columna de ozono.
Los valores de Índice UV corresponden a los empleados por convención, y las divisiones
en rangos a las calificaciones de riesgo solar dadas por la Environmental Protection
Agency (EPA-USA).
Para validar los resultados se calcularon los valores a cielo despejado, utilizando el modelo
TUV. Se obtuvo un punto por mes, correspondiente al día 15, empleando valores medios
mensuales de columna de ozono en el lugar medidos por el instrumento satelital
TOMS/Earth Probe, y valores constantes para todo el año de las otras variables de entrada:
parámetros de aerosoles α = 1 y β = 0.20 (en la fórmula de Angström del espesor óptico τ =
β/λα), y albedo UV = 0.10. Las mediciones a cielo despejado, que corresponden a la banda
superior de datos, y el modelo coinciden aceptablemente dentro de la simplicidad de los
valores utilizados en los cálculos. En particular, las mayores diferencias se pueden atribuir
a la variabilidad de aerosoles respecto del valor medio empleado.
Dada la ubicación intertropical del lugar, el Sol pasa dos veces por el zenit durante el
verano correspondiente a su hemisferio, con lo cual el período de altos niveles de radiación
se extiende ampliamente. En Arica se registran valores superiores a 0.3 W/m2 a mediodía
solar y cielo despejado durante más de 6 meses consecutivos. Los valores de invierno,
próximos a 0.15 W/m2, son asimismo considerables.
El Índice Solar UV (ISUV) se obtiene, por convención, multiplicando el valor de la
irradiancia eritémica en W/m2 por un factor 40 (WMO, 1994), resultando valores de fácil
referencia. Registros normales en las zonas más densamente pobladas de la Tierra se ubican
entre 0-2 cerca del solsticio de invierno y 10-12 en el de verano. Inicialmente, en este
trabajo se empleó la relación entre el ISUV y la Calificación del riesgo solar de la
Environmental Protection Agency (EPA/USA), la cual se detalla en la tabla 1 del artículo
siguiente de este volumen (Rivas et al., 2005).
5
De acuerdo con esta convención, en la figura 3 se observa que, a cielo despejado, aún los
valores de invierno son elevados en Arica y se ubican en rango Moderado entre los meses
de Junio y Julio. El resto del año atraviesa los rangos Alto, Muy Alto e incluso Extremo
entre principios de Noviembre y fin de Febrero, alertando sobre la necesidad de prevenir de
la sobre-exposición al Sol desde temprana edad a los habitantes del lugar, en particular el
número significativo de personas que trabajan al aire libre, y de extender estas
recomendaciones a la importante afluencia turística que se mantiene durante la mayor parte
del año.
Actualizacion: en el año 2002, la Organización Mundial de la Salud definió una
convención de calificación de riesgo solar (WHO, 2002), que se está adoptando
internacionalmente y que uniformiza los criterios dispares previamente existentes. Los
valores de índice y calificación de riesgo solar actualmente en vigencia se presentan en la
tabla 1 y, como se puede observar, la escala es aún más preventiva, definiendo a partir de
11 el nivel de extremo. Según esta convención, la región de Arica tiene niveles extremos de
radiación UV durante más de 5 meses!.
Tabla 1: convención de calificación de riesgo solar definida por la Organización Mundial
de la Salud (WHO, 2002).
UV INDEX
DANGER
11 and more
Extreme
8 /10
Very high
6/7
High
3/5
Moderate
1/2
Low
II. c) Estudio de la variación en altura de la intensidad de irradiancia solar UV
En este trabajo (Piacentini et al., 2000) se aplicó la experiencia de modelos y mediciones al
estudio de la variación en altura de los niveles de irradiancia solar UV. Los cálculos de
irradiancia eritémica se realizaron para la región de la Puna de Atacama mediante el
modelo TUV. La columna total de ozono tiene una pequeña dependencia latitudinal y
escasa tendencia de deterioro por causas antrópicas en esta región tropical [Bojkov and
Fioletov, 1995], de modo que se empleó un valor medio constante de ozono para todo el
año. El modelo TUV incorpora las correcciones en altura para las distribuciones verticales
de ozono, aerosoles y presión atmosférica.
6
Las mediciones empleadas en la validación de los cálculos se realizaron mediante un
biómetro YES Nº/S 940602 en La Quiaca (22.11º S, 65.57º O, 3459 m s.n.m.), mientras
que en Arica (18.47º S, 70.310 O, 23 m s.n.m.) y Copaquilla (18.40º S, 69.65º O, 3166 m
s.n.m.) mediante el instrumento IL1400A.
La figura 4 superior muestra la irradiancia eritémica a cielo despejado calculada para cada
mes del año en función de la altitud desde 0 a 7 km, en condiciones de muy delgada capa de
ozono (el promedio de la región menos dos desviaciones estándar) y en dos condiciones de
albedo superficial: con nieve y sin nieve.
Atacama Region (snow)
Atacama Region (no snow)
30
27
UV Index
(= 0.04 * Erythemal Irrad.)
UV Index
(= 0.04 * Erythemal Irrad.)
30
Month
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
24
21
18
15
12
9
1
3
4
5
6
7
8
9
10
Mean UV Index
normalized to the max
26
21
18
15
12
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
9
10
28
Mean all data for 03 = 260 DU and Albedo = 0.1
Mean linear approx. (5.6 % / km)
Linear approx. for the 0-1 km range (9 % / km)
Linear approx. for the 1-3 km range (5.9 % / km)
Linear approx. for the 3-7 km range (3.9 % / km)
28
Mean UV Index
normalized to the max
2
Month
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
24
6
30 0
6
30 0
27
24
22
20
18
16
26
24
22
20
Mean all data for 03 = 220 DU and Albedo = 0.6
Mean linear approx. (4.1 % / km)
Linear approx. for the 0-1 km range (6.4 % / km)
Linear approx. for the 1-3 km range (4.4 % / km)
Linear approx. for the 3-7 km range (2.8 % / km)
18
16
14
14
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
10
1
2
3
4
5
6
7
8
Altitude (km)
Altitude (km)
Figura 4. Arriba: Índice UV a cielo despejado calculado para todos los meses del año y
rango de altitudes en la región de Atacama para suelo sin nieve (izquierda) y con nieve
(derecha) Abajo: Índice UV medio normalizado y ajustes lineales en distintos rangos
altitudinales.
Como se espera, el Índice UV en condiciones de suelo sin nieve es sistemáticamente menor
para cada mes y altitud que en el caso de suelo nevado. Las pendientes que indican la
variación de la irradiancia con la altitud se obtuvieron de la curva media de todas las curvas
mensuales normalizadas al máximo absoluto, como se observa en la figura 4 inferior.
La tabla 2 muestra el porcentaje de incremento de la irradiancia con la elevación en los
rangos 0-1 km, 1-3 km y 3-7 km en casos de suelo con y sin nieve, enfatizando las
situaciones más comunes.
7
Tabla 2. Media anual de variación de la irradiancia con la altura (en %/km) en la región
de Atacama para diferentes rangos altitudinales, en casos de suelo sin nieve y con nieve. Se
enfatizan las situaciones más típicas.
0-1 km
1-3 km
3-7 km
Sin nieve
9
5.9
3.9
Con nieve
6.4
4.4
2.8
Los resultados de los cálculos se convalidan en comparación a las mediciones de los
instrumentos. La figura 5 presenta la media de valores medidos de Índice UV a cielo
despejado en La Quiaca junto con su variación a nivel de una desviación estándar. Como se
observa, coinciden marcadamente con los valores de la figura 4 en la elevación
correspondiente, particularmente en el caso de suelo sin nieve que es característico en la
región. Asimismo, la tabla 3 muestra una marcada coincidencia en el incremento porcentual
de irradiancia medido entre las localidades de Arica a nivel del mar y Copaquilla a más de
3000 m, respecto de los cálculos observados en la tabla 2.
CLEAR SKY DAILY MAXIMA AT LA QUIACA, ARGENTINA, 3459m a.s.l.
20
18
16
X
E
D
NI
V
U
14
12
10
8
6
1
2
3
4
5
6
7
MONTH
8
9
10
11
12
Figura 5. Índice UV medio a cielo despejado medido en La Quiaca y variación a nivel de
una desviación estándar.
Tabla 3. Variación porcentual de la irradiancia medida entre las localidades de Arica (23
m s.n.m.) y Copaquilla (3166 m s.n.m.) y resultados de los cálculos correspondientes para
el caso de suelo sin nieve.
Variación porcentual [%]
16.4
Medición
15.5
Modelo
III. Conclusiones
8
Se ha presentado un resumen de los trabajos realizados conjuntamente entre el Laboratorio
de Radiación Ultravioleta de la Universidad de Tarapacá y el Grupo de Energía Solar del
Instituto de Física Rosario (CONICET-Argentina), destinados a caracterizar el ambiente
radiativo UV en la región de Arica. Los estudios fueron ganando progresivamente mas
complejidad y precisión, gracias a las mejoras de equipamiento realizadas por el
Laboratorio de Radiación Ultravioleta – UTA, y al implemento de modelos más
sofisticados de transferencia radiativa en rango UV. Los primeros estudios estuvieron
destinados a determinar los niveles de radiación UV en la zona y al estudio de su variación
con la altura. Dada la importancia de la región por su densidad poblacional y turística, los
esfuerzos se destinan mayoritariamente a mejorar la salud humana, difundiendo los
resultados y educando a la población sobre los riesgos de sobre-exponerse al sol sin
protecciones adecuadas. A esto deben agregarse los efectos de la radiación solar UV sobre
la gran biodiversidad de la región, así como sobre materiales inorgánicos en general. Los
resultados son muy alentadores, y permiten prever que en el futuro la realización de
trabajos conjuntos entre ambas instituciones se ampliará a proyectos integrales, tanto en el
estudio básico sobre radiación solar UV como de sus efectos en la región.
Agradecimientos
Agradecemos especialmente al Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
de Argentina (CONICET) y a la Universidad de Tarapacá la financiación que posibilitó la
realización de los mencionados estudios.
Referencias
Bojkov R.D. y Fioletov V.E. (1995) “Estimating the global ozone characteristics during
the last 30 years”. Journal of Geophysical Research 100 16537.
Herman J.R., McPeters R., Stolarski R., Larko D. y Hudson R. (1991) “Global Average
Ozone Change from November 1978 to May 1990”. Journal of Geophysical Research
96 17297.
Herman J.R., McPeters R. y Larko D. (1993) “Ozone depletion at Northern and
Southern Latitudes derived from January 1979 to November 1991 Total Ozone
Mapping Spectrometer”. Journal of Geophysical Research 98 12783.
Herman, J.R., Barthia P.K, Ziemke J., Ahmad Z. y Larko D. (1996) "UV-B increases
(1979-1992) from decreases in total ozone". Geophysical Research Letters, 23 2117.
Jagger J. (1985) "Solar UV actions on living cells". Praeger, New York, EUA.
Luccini E. (1996) “Modelización de la irradiancia solar ultravioleta. Comparación
modelo-observaciones en la Región Central de Argentina”. Trabajo Especial de la
Licenciatura en Física. Facultad de Matemática, Astronomía y Física, Universidad
Nacional de Córdoba, Argentina.
Luccini E., Cede A. y Piacentini R.D. (1999) “Campaña de calibración de biómetros del
la red del Servicio Meteorológico Nacional de Argentina. Primeros resultados”.
Energías Renovables y Medio Ambiente 6 45-50.
Mc Kinlay A.C. y Diffey B.L. (1987) “A reference action spectrum for ultraviolet
induced erythema in human skin”. CIE Journal 6 17.
Piacentini R., Cede A., Luccini E., Rivas M. and Rojas E. (2000) “Solar ultraviolet
9
irradiance incident on the Atacama desert region”. 2nd General Assembly of the
SPARC/WCRP Project. Mar del Plata, Argentina.
Rivas M., Rojas E., Piacentini R.D., Luccini E. y Herman J. (1997) “Dosis eritémicas
solares medidas en el norte de Chile en el solsticio de verano de 1995”. Energías
Renovables y Medio Ambiente 2 53-56.
Rivas M., Luccini E., Rojas E. y Piacentini R. (2000) “Irradiancia eritémica y riesgo
solar en Arica, norte de Chile”. Energías Renovables y Medio Ambiente. 8, 13-16.
Rivas M., Rojas E., Cortés J., Santander E. y Fuentes R (2005) “Datos experimentales
de Indice de riesgo solar medidos en Arica, Norte de Chile, durante el año 2002”.
Charlas de Física, presente Volumen.
Tevini M., (Editor). (1993) “UV-B radiation and ozone depletion. Effects on humans,
animals, plants, microorganisms and materials”. Lewis Publishers, Boca Ratón, Florida,
EUA.
WHO (2002) “The Global Solar UV Index. A practical guide”. Disponible en
http://www.who.int/uv/publications/globalindex/en/
WMO (1994). "Report of the WMO meeting of experts on UV-B measurements, data
quality and standardization of UV indices". Report Nº 95.
10