FÍSICA DE LA TIERRA, AGUA Y ATMÓSFERA. FÍSICA DEL MEDIO AMBIENTE

Siete fotómetros de la red aeronet instalados en territorio argentino: análisis estadísticos de los datos y caracterización de los aerosoles

Seven photometers of the aeronet network installed in the argentine territory: statistical analysis of the data and characterization of the aerosols

 

L. A. Otero^a,b*, P. R. Ristori^a,c, M. F. García Ferreyra^d,e, M. E. Herrera^a,c, J. L. Bali^f, A. F. Pereyra^a, E. Martorrella^a, S. Brusca^a, R. L. D’Elia^a, V. E. Fierro^b, G. Franchi^b, O. Vilar^a, J. O. Salvador^a,c,g, M. M. Raponi^a,c, E. J. Quel^b,c

^a CEILAP- UNIDEF (MINDEF-CONICET) – CITEDEF. Juan Bautista de La Salle 4397 (B1063ALO), Villa Martelli, Provincia de Buenos Aires, Argentina
^b Universidad de la Defensa Nacional, Escuela Superior Técnica GrlDiv Manuel N. Savio - Facultad del Ejército. Av. Cabildo 15 (C1426AAA), C.A.B.A., Argentina.
^c Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires. Medrano 951 (C1179AAQ), C.A.B.A., Argentina.
^d Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE) Centro Espacial Teófilo Tabanera. Ruta C45. km 8. (5187), Falda del Cañete, Córdoba, Argentina.
^e Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Córdoba Maestro M. López esq. Cruz Roja s/n, Ciudad Universitaria, (5000), Córdoba, Argentina.
^f Departamento de Modelado y Manejo de Crisis - DMMC, CITEDEF-CONICET. Juan Bautista de La Salle 4397 (B1063ALO), Villa Martelli, Provincia de Buenos Aires, Argentina.
^g Universidad Nacional de la Patagonia Austral, Unidad Académica Río Gallegos y CIT Santa Cruz, Río Gallegos, Argentina.
* lotero@citedef.gob.ar  - lidia1116@gmail.com

Recibido: 07/02/18;
aceptado: 22/05/18

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El 20 de abril de 2017 se instaló un nuevo fotómetro solar de la red AERONET – NASA en Pilar, provincia de Córdoba, en dependencias del Servicio Meteorológico Nacional, con el fin de medir la carga aerosólica de la región y sobre todo detectar los eventos de quema de biomasa que afectan el centro y norte del territorio, y que posteriormente – debido al transporte del viento – arriban a la provincia de Buenos Aires y La Pampa. Con la instalación de este nuevo instrumento, la red de fotómetros solares pasa a tener 7 equipos en el país, los cuales realizan sistemáticamente mediciones. Cabe destacar que el primer equipo se instaló en el CEILAP- UNIDEF (MINDEF-CONICET) - CITEDEF, el 17 de octubre de 1999 en Buenos Aires. En este trabajo se presentan los resultados obtenidos de un análisis estadístico efectuado sobre las mediciones de las 7 estaciones activas: CEILAP-BA, CEILAP-RG, CEILAP-Comodoro, CEILAP-Bariloche, CEILAP-Neuquén, Trelewy Pilar- Córdoba, con el propósito de determinar valores medios mensuales, tendencias de espesores ópticos de aerosoles, coeficiente de Ångstrӧm y clasificación del tipo de aerosol típico en suspensión en cada estación.

Palabras clave: AERONET; Fotómetro solar; Aerosoles.

On April 20th, 2017, a new sunphotometer of the AERONET - NASA network was installed inPilar, province of Córdoba, at the dependencies of the National Meteorological Service in order to measure the aerosol load of the region and especially to detect the biomass burning events that affect the center and north of the territory, and subsequently arrive to the province of Buenos Aires and La Pampa due to the wind transport. Afterinstalling this new instrument, the network has now 7 sunphotometerin the country, performing sistematic measurements. The first equipment was installed at CEILAP-UNIDEF (MINDEF-CONICET) - CITEDEF, on October 17th, 1999 in Buenos Aires. In this work the results obtained from a statistical analysis of the measurements from the 7 active stations are presented: CEILAP-BA, CEILAP-RG, CEILAP-Comodoro, CEILAP-Bariloche, CEILAP-Neuquén, Trelew and Pilar-Córdoba, to determine the monthly averaged values, aerosol optical depth tendencies, Ångstrӧm coefficient and classification of the typical aerosol-suspended type for each station.

Keywords: AERONET; Sunphotometer; Aerosol.

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I. INTRODUCCIÓN

En octubre de 1999 la red AERONET (AErosolROboticNETwork)¹ administrada por NASA, instaló el primer fotómetro solar en el predio de CITEDEF, Villa Martelli, provincia de Buenos Aires (estación denominada CEILAP-BA) y desde entonces sus datos son analizados diariamente para determinar el contenido de aerosoles en suspensión en la atmósfera en la zona. Con los años, se fueron sumando estaciones con el objetivo de poder caracterizar los aerosoles en otros puntos del país.El programa AERONET tiene como objetivo determinar características ópticas de los aerosoles y validar datos satelitales. La red está formada por más de 800 fotómetros solares instalados en estaciones estratégicamente distribuidas en todo el mundo (https://aeronet.gsfc.nasa.gov/). En abril de 2017 se instaló el séptimo equipo en Pilar, provincia de Córdoba, en dependencias del Servicio Meteorológico Nacional (SMN). La importancia de que todos estos instrumentos estén integrados a la red radica en el hecho que: a) todos los equipos son fotómetros solares de la misma marca (CIMEL Electronique, modelo CE-318) (http://support.cimel.fr/photo/sunph.htm),b) se calibranen la NASA siguiendo el mismo protocolo, y c) sus datos son procesados de la misma forma, también en la NASA, en tres niveles de calidad de datos. Estos son: a) Nivel 1.0, es el nivel del dato de espesor óptico sin control de extracción de nubes, b) Nivel 1.5 son los datos luego de la extracción automática de nubes y c) Nivel 2.0 son los datos sin nubes luego de serrecalibrados e inspeccionados manualmente.Esta estandarización es importante para poder comparar los datos entre estaciones, es decir, que se puede hacer comparación temporal y espacial de los mismos.
En este trabajo se presenta un análisis estadístico de los datos disponibles de las 7 estaciones actualmente activas,desde que fueron instaladas hasta septiembre de 2017.

II. DESCRIPCION DE LAS ESTACIONES Y DATOS

Descripción del fotómetro solar Los fotómetros solares son radiómetros de campo de visión angosto diseñados para medir la irradiancia solar. Estos instrumentos tienen bandas espectrales bien definidas, con un ancho banda a media altura del orden de los 10nm. Los instrumentos modernosson controlados electrónicamente, tienen la capacidad de almacenar los datos e incorporan un sistema de tracking automático para un seguimiento preciso del posicionamiento solar. El equipo realiza tres tipos de medición: a) directa, b) almucantar y c) planos principales¹. En la medición directa apunta el colimador al Sol y realiza la medición, girando una rueda de filtros, típicamente, en las siguientes longitudes de onda: 1640, 1020, 940, 870, 675, 500, 440, 380 y 340nm. De esta medición directa se obtiene el espesor óptico de aerosoles (AOD) y con la línea de 940nm, el contenido de agua precipitable. En la medición dealmucantar, el colimador apunta al Sol y luego describe un cono con ángulo cenitalconstante. Las mediciones de Plano Principal barren el cielo en el ángulo acimutal solar, variando el ángulo cenital hasta alcanzar un ángulo de aproximadamente 150°con el Sol. Las longitudes de onda utilizadas para estas mediciones son: 1020, 870, 675 y 440nm. Con estas observaciones complementarias se pueden obtener, por métodos de inversión², la siguiente información de los aerosoles en suspensión: distribución en talla, concentración volumétrica, índice de refracción complejo y función de fase, entre otros. A lo largo de un día el fotómetro solar realiza varios ciclos de medición según efemérides preprogramadas¹.
Ubicación geográfica Las 7 estaciones que se usaron para hacer este trabajo se encuentran en el territorio argentino por debajo del paralelo 31º S. En la Tabla 1 se presenta la ubicación geográfica de cada una de ellas.

Tabla 1: Ubicación de las estaciones

Datos utilizados Para realizar este estudio se utilizaron las mediciones de AOD entre 870 y 440nm registradas en cada estación desde su instalación. La cantidad de datos disponibles depende mucho de cuando se puso en marcha el equipo, de cómo se realizó su mantenimiento y de la cantidad de días con cielo despejado o parcialmente despejado con el Sol sin cobertura nubosa, se tuvieron. En la Tabla 2 se presenta la fecha de instalación de cada instrumento, la cantidad de días registrados con medición y la cantidad de datos que se procesaron para llevar adelante este trabajo.

Tabla 2: Cantidad de días y datos procesados por estación

La mayor cantidad de datos usados son de Nivel 2.0. Llevar los datos a Nivel 2.0 requiere muchos meses de calibración. Para poder extender el estudio hasta septiembre 2017,fue necesario completar la serie temporal de mediciones con datos Nivel 1.5. En la Tabla 3 se presenta por estación el intervalo de las fechas en las cuales los datos se encuentran enNivel 2.0 y 1.5. Además, se calcula el porcentaje de datos en Nivel 2.0 sobre el total de los datos utilizados.

Tabla 3: Intervalo de fechas de datos en nivel 2.0 y nivel 1.5.

* No hay datos a partir de abril 2017 ver tabla 4.

Cálculo del Coeficiente de Ångstrӧm La Ley de Ångström³ propone una función potencia para representar la variación espectral del espesor óptico de aerosoles,

dondeAOD(λ) es el espesor óptico de aerosoles en diferentes longitudes de onda, β(λ) es el parámetro de turbidez, proporcional al valor medio de la concentración de aerosoles^4,5. El coeficiente o exponente de Ångström(Å), normalmente entre 0 y 4,está relacionado con la distribución cuadrática media de los radios de aerosoles correspondientes a los rangos micrométricos y sub-micrométricos.Se calculó el coeficiente deÅngströmaplicando logaritmo a (1)yencontrando los valores de β y de Å que minimicen el error cuadrático medio para los AOD medidos en (2)

Para este trabajo se calculó el coeficiente de Ångström usando las longitudes de onda de 870, 675, 500 y 440nm. III. RESULTADOS Valores medios de AOD mensuales Con los datos disponibles de AOD en 440 nm se calcularonlos valores medios diariospor estación y con esos, la media mensual. En la figuras 1 a 7 se presenta el promedio mensual del AOD para cada estación.

Figura 1. Promedio mensual del AOD en 440 nm para la estación CEILAP-BA en Villa Martelli, provincia de Buenos Aires.

Figura 2. Promedio mensual del AOD en 440 nm para la estación Trelew en Trelew, provincia de Chubut.

Figura 3. Promedio mensual del AOD en 440 nm para la estación CEILAP-RG en Río Gallegos, provincia de Santa Cruz.

Figura 4. Promedio mensual del AOD en 440 nm para la estación CEILAP-Bariloche en San Carlos de Bariloche, provincia de Río Negro.

Figura 5. Promedio mensual del AOD en 440 nm para la estación CEILAP-Comodoro en Comodoro Rivadavia, provincia de Chubut.

Figura 6. Promedio mensual del AOD en 440 nm para la estación CEILAP-Neuquén en Neuquén, provincia de Neuquén.

Figura 7. Promedio mensual del AOD en 440 nm para la estación Pilar-Córdoba en Pilar, provincia de Córdoba.

Se puede observar que en todos los casos se presenta una variación anual sinusoidal con valores máximos en primavera y verano y valores mínimos en invierno^6,7. En las gráficas, se observan blancos que se deben a la falta de datos para esos meses. En la Tabla 4 se presentan los meses en que las estaciones no reportaron datos.

Tabla 4: Meses sin datos por estación

También se puede ver que en CEILAP-Comodoro la media mensual de AOD no supera el valor de 0,1yen las demás estaciones lo superasólo unos pocos meses⁸, salvo la estación de Buenos Aires. La desviación estándar máxima mensual no supera el 9 % en ningún caso. Clasificación del tipo de aerosoles En las Figuras 8 a 14 se grafica el coeficiente de Ångström versus el AOD en 440 nm. Este tipo de gráfico permite hacer una clasificación de los aerosoles presentes en cada estación⁹. Como se está trabajando con valores medios mensuales de AOD, también se calcula el valor medio mensual del coeficiente de Ångström (desviación estándar máxima no supera el 10%). Realizar este estudio con valores medios, proporciona información del tipo de aerosoles más frecuente, minimizándose el efecto de los eventos puntuales.

Figura 8. Coeficiente de Ångström versus AOD en 440 nm para la estación CEILAP-BA en Villa Martelli, provincia de Buenos Aires.

Figura 9. Coeficiente de Ångström versus AOD en 440 nm para la estación Trelew en Trelew, provincia de Chubut.

Figura 10. Coeficiente de Ångström versus AOD en 440 nm para la estación CEILAP-RG en Río Gallegos, provincia de Santa Cruz.

Figura 11. Coeficiente de Ångström versus AOD en 440 nm para la estación CEILAP-Bariloche en San Carlos de Bariloche, provincia de Río Negro.

Figura 12. Coeficiente de Ångström versus AOD en 440 nm para la estación CEILAP-Comodoro en Comodoro Rivadavia, provincia de Chubut.

Figura 13. Coeficiente de Ångström versus AOD en 440 nm para la estación CEILAP-Neuquén en Neuquén, provincia de Neuquén.

Figura 14. Coeficiente de Ångström versus AOD en 440 nm para la estación Pilar-Córdoba en Pilar, provincia de Córdoba.

En la Tabla 5 se presenta por estación el tipo de aerosol dominante o típico que la caracteriza.

Tabla 5: Caracterización de los aerosoles más frecuentes por estación

IV. CONCLUSIONES

En el presente trabajo se utilizan todos los datos disponibles por estación. Se calculan los valores medios mensuales del espesor óptico de aerosoles en 440nm y el coeficiente de Ångström usando las longitudes de onda de 870, 675, 500 y 440nm. Del análisis de los resultados se observa que todas las estaciones presentan valores máximos de AOD(440nm) en la primavera y verano y valores mínimos en invierno^6,7. Las estaciones patagónicas presentan valores bajos de AOD(440nm) indicando que la región está afectada por una atmósfera libre de contaminación urbana/industrial^8,9. La región de la Patagonia queda caracterizada por aerosoles del tipo continental limpio, continental promedio y desértico con trazas de aerosoles del tipo antártico y marítimo para las estaciones costeras^8,9. Los valores de AOD(440nm) se encuentran en un 89% por debajo de 0,05. La estación central de Pilar-Córdoba tiene características de aerosoles del tipo continental limpio aunque los datos disponibles son muy escasos para confirmar esta aseveración. Esta estación, por su posición geográfica, va a ser influenciada durante los meses de septiembre a noviembre por la quema de biomasa que se produce en el norte del país y de los países limítrofes después de la actividad agrícola¹⁰, por lo tanto el resultado obtenido para esta estación se va a modificar cuando se tengan más mediciones. La estación de Buenos Aires, es la que más datos tiene, ya que fue la primera en ser instalada. Esta estación, si bien está en el límite de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires, diariamente se ve poco influenciada por la contaminación directa de la ciudad debido a la circulación preferencial de los vientos. Pero claramente, presenta valores muy superiores de AOD(440 nm) comparando con los demás sitios. Debido a la gran cantidad de datos procesados, la estación CEILAP-BA se puede decir que está dominada por aerosoles del tipo continental y urbanos/industriales^9,11.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a: la red AERONET, JICA, CONICET, ANPCyT, UNDEF, al programa UNDEFI, proyecto SAVER.NetyMinisterio de Defensa. También a todo el personal técnico del SMN que mantiene en funcionamiento los fotómetros solares en las distintas estaciones.

V. REFERENCIAS

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9. Otero, L., P. Ristori, B. Holben, E. Quel. Espesor óptico de aerosoles durante el año 2002 para diez estaciones pertenecientes a la red AERONET – NASA. Opt. Pura Apl. 39 (4) 355-364 (2006).

10. Otero, L. A., P. R. Ristori, B. Holben, E, J. Quel. Detection of Biomass Burning Aerosols In Córdoba, Argentina, Using The Aeronet / Nasa Data Base. Opt. Pur. y Apl., 37, (3), 3359- 3363(2004).         [ Links ]

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