Dependencia espectral de la atenuación y alzas de radiación UV y

Dependencia espectral de la atenuación y alzas de radiación UV y visible
por la nubosidad estival en Valdivia
Ch. Lovengreen1, H. Fuenzalida2, L. Videla3, M. Valdebenito1
1
Instituto de Física, Facultad de Ciencias, UACh, Casilla 567, Valdivia, Chile
Depto de Geofísica, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, UCh
3
Depto. de Ingeniería Matemática, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, UCh
Email: [email protected]
2
Resumen
En este trabajo se estudia la dependencia espectral de la atenuación y alzas de radiación UV
y visible por la nubosidad estival en Valdivia en días parcialmente nublados durante los
veranos 2000 a 2002. También se incluye el análisis de secuencias de imágenes de las
condiciones de nubosidad de 22 días de las temporadas estivales de 2001 y 2002.
49
I. Introducción
El rol de las nubes en los niveles de radiación ultravioleta (RUV) que llega a la Tierra ha
sido estudiado con mucho interés en la última década con la finalidad de incluir esta
variable en los modelos de predicción de la dosis de exposición. Es conocido que
normalmente las nubes producen atenuaciones de la radiación y esporádicamente alzas en
longitudes de onda del rango visible. Sin embargo, Mims & Frederick (1994) publicaron
resultados de alzas de radiación ultravioleta respecto de un día despejado (específicamente
en 310nm) por sobre 25% en Mauna Loa Observatory. Ellos advierten que se debiera
considerar que cúmulos cerca del sol pueden intensificar UV-B solar particularmente en
verano y especialmente cuando el sol y los cúmulos están cerca del cenit. Nuestro estudio para las condiciones de nubosidad en Valdivia- pretende aclarar si efectivamente es tan
seria esta advertencia. En los primeros trabajos que se refieren al estudio de las nubes se
publican datos obtenidos con instrumentos de banda ancha (Sabburg y Wong (2000), Lubin
y Frederick (1991), Estupiñán et al (1996), Kylling et al (2000). Con este tipo de
instrumento no es posible discriminar la influencia que tienen distintas longitudes de onda
en las alzas, salvo considerando regiones espectrales anchas. Para entender mejor el rol de
cada longitud de onda en estas alzas, Bais et al (1993) y Sabburg et al. (2003) usaron un
Brewer y Bodeker y McKenzie (1996) obtuvieron datos espectrales (realizados con un
high quality Bentham-based instrument que mide entre 290 y 450nm). Dado que los
barridos no son instantáneos surge el inconveniente que la variabilidad rápida de la
nubosidad puede estar interfiriendo en la medida. Además hay que tener en consideración
que la incerteza del instrumento puede estar en el orden de magnitud de las alzas que se
miden. Esto es particularmente crítico en las medidas de UV-B donde el flujo de fotones es
muy bajo. También puede ser determinante elegir la adecuada referencia “día despejado”
para calcular las alzas. En la mayoría de los trabajos se usan modelos teóricos en que la
variable ozono total, su sección eficaz de absorción, la mayor o menor transparencia del
cielo, etc. son factores que pueden introducir errores en los resultados de la predicción de
los modelos.
En este trabajo se estudiaron las alzas y atenuaciones producidas por nubes en días
parcialmente nublados durante los veranos 2000 a 2002. También se incluye el análisis de
secuencias de imágenes de las condiciones de nubosidad de 22 días de las temporadas
estivales de 2001 y 2002.
II. Material y Método
Mediciones de radiación:
Se usó un radiómetro de filtros (GUV-511, BSI) ubicado en el techo del edificio de la
Facultad de Ciencias, libre de toda interferencia, que mide el flujo de radiación en 4 bandas
(FWHM = 10 nm) en el intervalo de UV en torno a las longitudes de onda 305nm 320nm,
340nmy 380nm, las cuales permiten estimar la tasa de dosis de eritema. Además este
radiómetro cuenta con un filtro que mide la integral del flujo de fotones del espectro
visible por unidad de área. Se registra cada minuto el promedio de alrededor 200 medidas.
50
Esta característica permite detectar la enorme variabilidad de niveles de radiación debido a
la presencia de las nubes en 4 longitudes de onda, una del intervalo UV-B (305nm), tres del
UV-A como también el comportamiento de la radiación visible o radiación fotosintética
activa (PAR) entre 400 y 700nm.
Curvas de referencia para un día despejado:
Para determinar las alzas y atenuaciones, se obtuvieron curvas diarias de referencia (de día
perfectamente despejado) para las longitudes de onda no afectadas por la variabilidad de
ozono en la fecha correspondiente (visible, 380nm, 340nm y 320nm). Se eligieron días
perfectamente despejados muy cercanos a la misma fecha o en su defecto días despejados
de años anteriores. Un método alternativo para días parcialmente nublados, con intervalos
temporales sin interferencia de nubes, fue ajustar un polinomio de grado 6 a los sectores
libre de nubosidad y usar esta curva para el posterior análisis de excesos o déficit de niveles
de radiación en cada longitud de onda. Este método también permitió extender el estudio de
algunos días para la longitud de onda de 305nm. Comparando ambos métodos se concluye
que la diferencia es inferior a 3%.
Imágenes de nubosidad y su análisis digital:
Las imágenes del cielo se obtuvieron con una frecuencia de una imagen cada 2 minutos con
una cámara digital AGFA fotografiando la superficie de un espejo esférico de radio 30 cm
y diámetro de la sección utilizada para la captura de la imagen de 20cm, con su parte
convexa hacia el cielo. Este montaje, con una distancia a la máquina fotográfica de
aproximadamente 30 cm, permitió ampliar la visión del cielo a un ángulo de 120º. Se
desarrollaron las herramientas de software para identificar automáticamente zonas cubiertas
por nubes y zonas de cielo despejado. Esta aplicación se desarrolló en IDL 5.4 (RSI
technologies) discretizando la imagen original del cielo en elementos de un conjunto de 8x8
(o 4x4) pixeles y se tomaron los promedios de las componentes R, G y B sobre cada uno de
ellos. Luego, estos valores de las tripletas RGB se pasaron a una red neuronal de
multicapas, previamente entrenada con 50 patrones RGB de “nubes” y “cielo” a través de
un algoritmo de backpropagation y dependiendo del resultado que entregaba la red, el
elemento de píxeles es marcado como cielo (1) o nube (0).
Dado que las imágenes originales eran fotografías del espejo reflejando el cielo, se debió
“aplanar” la imagen para asignarle a cada elemento discreto el peso correcto en su
participación del área total. Las imágenes fueron transformadas a un formato plano y
posteriormente se calculó el porcentaje de zonas identificadas como cubiertas por nubes.
Además se diseñó un software que discriminara en cada imagen si la radiación del sol era
directa o difusa.
Estadística de casos:
Se analizó un total de 171 casos de alzas y 21 de atenuaciones de un total de 30 días con
almacenamiento simultáneo de algo más de 3000 fotos sumando un total de 103 horas de
registro de imágenes. La muestra está sesgada favoreciendo la estación de verano, por dos
motivos. Primero, porque la experiencia había mostrado que las alzas se registraban con
mayor frecuencia y luego porque es la época que conlleva mayor riesgo a la salud. Otro
51
factor que sesga la muestra es la ocurrencia de precipitación ante cuya inminencia se
retiraba la cámara fotográfica para protegerla.
Selección de casos de alzas
Dado que las alzas siempre fueron mas intensas para el canal visible, se seleccionaron las
alzas de acuerdo a la magnitud de este canal (PAR). Se consideró como alza si el valor
superaba en 10% el nivel del día despejado. En tal caso se registraba el valor de alza de
cada una de las longitudes de onda. Para incluir en el estudio el comportamiento de 305nm,
se analizaron 41 casos de alzas correspondientes a 8 días para los que posible hacer un
ajuste polinomial de día despejado confiable.
III. Resultados
La mayor parte de las alzas se originaron con presencia de nubosidad cumuliforme baja
(Fig. 1) que frecuentemente se encontraba en etapas de disipación con sus bordes difusos.
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
Cu
Cu+Ac
Ac
Cu+Ci
Ac+Ci
Ci
Fig. 1: Distribución en frecuencia de las alzas según el tipo de nubosidad
(Cu: cúmulos; Ac: altocúmulos; Ci:cirrus)
Las duraciones de las alzas mostraron frecuencias decrecientes siendo las más frecuentes
aquellas con duraciones inferiores a 6 minutos (Fig. 2). Duraciones mayores ocurrieron en
un 20% de las ocasiones.
52
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
1a2
3a4
5a6
7a9
10 a 19
20 a 40
Fig. 2: Distribución en frecuencia de las alzas según su duración [min]
La relación entre la magnitud del alza y su duración es débil aunque todas las alzas
superiores a un 30% en el PAR presentaron duraciones inferiores a 10 minutos y todas las
de duración superior tuvieron alzas bajo el 30% (Fig. 3). Cabe notar que siendo las
observaciones promedios sobre un minuto, es posible que alzas superiores hayan ocurrido
durante intervalos de tiempo más breves.
60
50
Alza PAR
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Fig. 3: R elación duracion en m inutos con la m agnitud del alza [% ]
Un rasgo importante presente en todos los casos de alzas observados fue una preferencia
espectral en el sentido que ellas fueron menores cuanto menor la longitud de onda. Las
alzas promedio con respecto de la condición en un día despejado se señalan en la Tabla 1.
También se incluyen en la tabla los valores máximos medidos en esta muestra. Algo
parecido ocurrió con las atenuaciones siendo éstas mayores cuanto mayor la longitud de
onda.
53
Tabla 1. Porcentajes de alzas promedios para el total de casos (171) y la muestra menor (41
casos) que incluye el canal de 305nm y el cálculo de la tasa de dosis de eritema.
Promedio
(n=171)
Promedio (n=41)
Máximo
PAR
380 nm
340
nm
320
nm
21
19.8
48.4
14.5
12.8
37
11.0
9.6
29
8.0
7.1
22
305 nm Tasa de dosis
4.9
13
5.8
15
La mayor parte de las alzas (76%) ocurrieron cuando el disco solar se encontraba
parcialmente oculto por las nubes, es decir, con el sol sobre el borde de la nubosidad, y la
misma condición estuvo presente en prácticamente todas las alzas superiores a un 30% en
el PAR.
IV. Conclusiones
Existe discriminación espectral en todas las alzas observadas ya que ellas decrecen junto
con la longitud de onda de manera que son menores para aquellas ondas más agresivas. La
magnitud típica de las alzas es de un 20% para el PAR, aunque pueden llegar a exceder el
40%, descendiendo a un 4.9 % para 305 nm. Las alzas de la tasa de dosis siempre superan
levemente a la de 305 nm debido a la contribución de longitudes de onda mayor.
En el caso de las atenuaciones también hay dependencia espectral, pero en el sentido
opuesto: las ondas más agresivas son menos atenuadas.
La condición más favorable para las alzas se presenta cuando el sol cruza el borde de
nubosidad. Un número importante de casos ocurre en bordes de nubosidad cumuliforme
baja en etapas de disipación (borde difuso) lo cual sugiere un papel secundario de la
reflexión de la radiación solar por los costados de la nubosidad.
Agradecimientos
El presente trabajo fue financiado por los proyectos DID-UACh S-200104 y IAI CRN 026.
54
Referencias
Estupiñán, J.G., Raman, S., Crescenti, G. H., Streicher, J.J., Barnard, W.F., 1996.
Effects of clouds and haze on UV-B radiation. J. Geophys. Res. 101, 16807-16816.
Kylling, A., Dahlback, A., Meyer, B., 2000. The effect of clouds and surface albedo on
UV irradiances at a high latitude site. Geophys. Res. Lett. 27 (9), 1411-1414.
Lubin, D., Frederick, J.E., 1991. The ultraviolet radiation environment of the Antarctic
Peninsula: the roles of ozone and cloud cover. J. Appl. Meteorol. 30, 478-493.
Mims, F. M. III. and. Frederick, J.E., 1994. Cumulus clouds and UV-B, Nature, 371,
291.
Sabburg J.M., Parisis A.V., Kimlin, M.G., (2003) Enhanced spectral V irradiance: a 1
year preliminary study. Atmospheric Research 66 261-272.
55