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

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1 Estudios sobre radiación solar UV en la región de Arica, Norte de Chile Eduardo Luccini 1, Miguel Rivas 2,3, Elisa Rojas 2, Juan Cortés 2 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, 142 Capital Federal, Argentina 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 (CONICET- Argentina), 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

2 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: nm) atenuada por esta capa (Herman et al, 199). 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, 199), 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

3 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, 9.5ºO, 31 m. s.n.m.), mediante un detector IL1400A con detector SEL 240 Nº/S 39 y difusor T2ACT3 Nº/S Asimismo, se hizo uso de un modelo paramétrico de transferencia radiativa UV (Luccini, 199) 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 , 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

4 0,35 0,30 0,25 Irradiancia eritémica Irradiancia efectiva IL 1400A Irradiancia [W/m 2 ] 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,2 0,3 0,4 0,5 0, 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 ± 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 3,35 Factor de conversión 3,30 3,25 3,20 Factor medio 3,15 3, 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

5 0.4 1 Irradiancia eritémica (W/m 2 ) Mediciones Modelo Indice Solar Ultravioleta 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/λ α ), y albedo UV = 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/m 2 a mediodía solar y cielo despejado durante más de meses consecutivos. Los valores de invierno, próximos a 0.15 W/m 2, son asimismo considerables. El Índice Solar UV (ISUV) se obtiene, por convención, multiplicando el valor de la irradiancia eritémica en W/m 2 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- 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

6 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 / 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.

7 Las mediciones empleadas en la validación de los cálculos se realizaron mediante un biómetro YES Nº/S en La Quiaca (22.11º S, 5.57º O, 3459 m s.n.m.), mientras que en Arica (18.47º S, O, 23 m s.n.m.) y Copaquilla (18.40º S, 9.5º O, 31 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. UV Index (= 0.04 * Erythemal Irrad.) Mean UV Index normalized to the max Atacama Region (no snow) Mean all data for 0 3 = 20 DU and Albedo = 0.1 Mean linear approx. (5. % / 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) Altitude (km) Month UV Index (= 0.04 * Erythemal Irrad.) Mean UV Index normalized to the max Atacama Region (snow) Mean all data for 0 3 = 220 DU and Albedo = 0. Mean linear approx. (4.1 % / km) Linear approx. for the 0-1 km range (.4 % / km) Linear approx. for the 1-3 km range (4.4 % / km) Linear approx. for the 3-7 km range (2.8 % / km) Altitude (km) Month 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

8 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 Con nieve 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 D EX IN U V MONTH 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 (31 m s.n.m.) y resultados de los cálculos correspondientes para el caso de suelo sin nieve. Variación porcentual [%] Medición 1.4 Modelo 15.5 III. Conclusiones 8

9 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 Herman J.R., McPeters R., Stolarski R., Larko D. y Hudson R. (1991) Global Average Ozone Change from November 1978 to May Journal of Geophysical Research 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 Herman, J.R., Barthia P.K, Ziemke J., Ahmad Z. y Larko D. (199) "UV-B increases ( ) from decreases in total ozone". Geophysical Research Letters, Jagger J. (1985) "Solar UV actions on living cells". Praeger, New York, EUA. Luccini E. (199) 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 Mc Kinlay A.C. y Diffey B.L. (1987) A reference action spectrum for ultraviolet induced erythema in human skin. CIE Journal 17. Piacentini R., Cede A., Luccini E., Rivas M. and Rojas E. (2000) Solar ultraviolet 9

10 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 Energías Renovables y Medio Ambiente 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, 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 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 WMO (1994). "Report of the WMO meeting of experts on UV-B measurements, data quality and standardization of UV indices". Report Nº

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