ESTUDIO DEL IMPACTO DE LOS AEROSOLES PRODUCIDOS POR EMISIONES VOLCÁNICAS EN LA EVOLUCIÓN DE PRECIPITACIÓN

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1 ESTUDIO DEL IMPACTO DE LOS AEROSOLES PRODUCIDOS POR EMISIONES VOLCÁNICAS EN LA EVOLUCIÓN DE PRECIPITACIÓN Nohemí Hernández Carrillo 1, José Carlos Jiménez Escalona 2 y Carlos Cario R. 1 1 Coordinación del Servicio Meteorológico Nacional. Ave. Observatorio 192, Col. Observatorio. Del. Miguel Hidalgo. C.P 11860, México, D.F. Tel: , Fax: ncarrillo@gsmn.cna.gob.mx, ccario@gsmn.cna.gob.mx 2 Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM. Circuito de la Investigación Científica. Ciudad Universitaria. Del. Coyoacán México, D.F. Tel: carlos71@correo.unam.mx RESÚMEN El aerosol atmosférico es de fundamental importancia para entender los procesos de formación de nubes y precipitación, debido a que la variación en la distribución de tamaños de aerosoles es de gran importancia en el desarrollo de éstas. Tales partículas de aerosol son producidos por diversos procesos naturales (arrastre y acarreo por el viento de partículas de polvo, polen, esporas, sal de mar, emisiones volcánicas, incendios forestales, etc.) y por actividad antropogénica. Basándose en este contexto se hicieron mediciones de gases y partículas de emisiones volcánicas en la localidad de Tonantzintla, Puebla, la cual esta ubicada a 30Km al Este del cráter del volcán Popocatépetl. El período de éstas mediciones esta comprendido del 24 de abril al 10 de mayo de 1999 (Jiménez et al. 2001) En la realización de este trabajo se usó el Modelo de Mesoescala (MM5) con el cual se realizó un pronóstico objetivo y subjetivo de los efectos en el desarrollo de precipitación de dichas partículas producidas por las emisiones volcánicas que presentó el Popocatépetl en el período mencionado. INTRODUCCIÓN En el aire existe vapor de agua, que es el elemento fundamental para la formación de nubes mediante su condensación en gotas de agua líquida o congelación en partículas de hielo. Así, una nube puede definirse como una colección de numerosas partículas de agua y/o hielo suspendida en la atmósfera. En la atmósfera libre se requiere de la presencia de ciertas partículas suspendidas, conocidas como núcleos de condensación de nube (CCN, por sus siglas en inglés) Los CCN, que actúan como centros para la condensación del vapor de agua a humedades relativas típicas de algunas décimas porcentuales por encima del 100%, son un subconjunto de las partículas de aerosol atmosférico. A su vez una de las fuentes principales de éstas partículas son tanto por actividad antropogénica como por procesos naturales tales como: acarreo por el viento, incendios forestales y emisiones volcánicas. De esta última se puede decir que este tipo de partículas, consideradas como un contaminante atmosférico, contribuyen a la formación de lluvia ácida, corrosión de materiales, entre otras cosas. Desde 1993 el volcán Popocatépetl ha presentado un incremento importante en su actividad llegando a niveles de emisión de SO 2 hasta de 50,000 tons/día en En busca de comprobar la contribución en la composición de partículas en poblados alrededor del volcán y el impacto de éstas en la eficiencia de precipitación

2 se llevó a cabo una campaña de mediciones de gases y partículas en la localidad de Tonantzintla en la fecha comprendida del 24 de abril al 10 de mayo de La emisión de partículas generadas por los volcanes como el Popocatepétl se hacen a grandes alturas por lo que el viento es muy importante en el transporte de dichas partículas, ya que al no sentir la influencia orográfica se vuelve mas eficiente. El cráter del volcán Popocatépetl se encuentra ubicado a 5452 msnm, por lo que las emisiones de gases y partículas son depositadas con facilidad durante el día fuera de la capa límite planetaria (al nivel de 500 mb) y en donde son transpotados por los vientos dominantes a esa altitud. El presente trabajo se enfoca en el estudio de las partículas de aerosol generadas por emisiones volcánicas en el desarrollo de precipitación, se ha utilizado una herramienta muy importante como es la modelación numérica de la atmósfera. En partícular, presentaremos resultados de un modelo de mesoescala (MM5) que fue desarrollado por la Universidad Estatal de Pennsylvania (PSU, por sus siglas en inglés) y el Centro Nacional de Investigaciones Atmosféricas (NCAR, por sus siglas en inglés). Este modelo representa físicamente la iteracción de la atmósfera con otros procesos tales como son: La capa límite planetaria, convección interacción con topografía, etc. Además de que el MM5 calcula el pronóstico de precipitación de hasta 72 horas y el de otras variables meteorológicas. METODOLOGÍA Análisis Individual de las Emisiones del Volcán La actividad de un volcán es variable con el tiempo por lo que en algunos días se podría tener mucha influencia y en algunos otros podría ser mínima. Tomando en cuenta dicha consideración, se decidió hacer una selección de los días de muestreo eliminando los posibles días de baja influencia volcánica. Los criterios que se utilizaron para seleccionar los días que podrían proporcionar información acerca de la contribución volcánica del ambiente fueron: 1) Se consideró la actividad del volcán utilizando los reportes diarios que proporciona el CENAPRED en su pagina Web (CENAPRED, 2000). 2) Se consideró el comportamiento en la correlación diaria entre los datos de concentración del SO 2 y del CO. En la Tabla 1 se muestran los reportes diarios de la actividad del Popocatépetl que se utilizaron para hacer la selección de días que mostraron indicio de una posible influencia volcánica.

3 Tabla 1. Reportes diarios de la actividad del volcán Popocatépetl para los días del 24 de Abril al 10 de Mayo de Estos reportes fueron obtenidos de la pagina Web de CENAPRED (CENAPRED, 2000). Fecha del Hora del Reporte reporte reporte Abril 24, :30 GMT La actividad del volcán se mantuvo estable. En las últimas 24 horas se ha registrado un ligero aumento en el numero de exhalaciones, todas de moderada a baja intensidad. Abril 25, :00 GMT El volcán se mantuvo estable y sin cambios en las últimas 24 horas. Abril 26, :00 GMT En las últimas 24 horas el volcán mostró pocos cambios en su estado de actividad. Se caracterizó por la ocurrencia de exhalaciones de baja a moderada intensidad acompañadas con emisiones de gas, vapor y en ocasiones algo de ceniza. Abril 27, :00 GMT En las últimas 24 horas la actividad del volcán se mantuvo estable en los mismos niveles presentados en día anterior. Abril 28, :00 GMT La actividad del volcán ha mostrado una disminución en las últimas 24 horas. Se registraron solo aisladas exhalaciones de baja intensidad acompañadas con emisiones de gas y vapor. Abril 29, :00 GMT El volcán continúa mostrando bajos niveles de actividad. La sismicidad registrada en las últimas 24 horas se redujo respecto a días anteriores presentándose solamente aisladas y pequeñas exhalaciones. Abril 30, :00 GMT El volcán mantiene en general bajos niveles de actividad. Mayo 1, :00 GMT El volcán mantiene en general bajos niveles de actividad. Mayo 2, :00 GMT El volcán mantiene en general bajos niveles de actividad. Mayo 3, :00 GMT Aunque se presentó un ligero incremento en la sismicidad, el volcán en las últimas 24 horas mantuvo en general niveles bajos de actividad. Se presentaron varias exhalaciones de pequeña a moderada intensidad con emisiones de gas y vapor. Mayo 4, :00 GMT En las últimas 24 horas el volcán presentó un ligero incremento en su actividad. El número y tamaño de las exhalaciones registradas aumentó respecto a días anteriores. Mayo 5, :00 GMT En las últimas 24 horas la actividad del volcán se mantuvo estable, sin cambios significativos. Solamente se registró en la tarde del día anterior un ligero incremento en el número de las exhalaciones de gas y vapor de baja intensidad. Mayo 6, :00 GMT En las últimas 24 horas la actividad del volcán no mostró cambios importantes a los reportados el día anterior. Continuaron presentándose exhalaciones de gas y vapor de baja intensidad, de las cuales dos, a las 14:35 y a las 16:23,

4 tuvieron una duración aproximada de 30 y 14 minutos respectivamente, produciendo una pluma de vapor de casi 1km de altura. Mayo 7, :00 GMT En las últimas 24 horas la actividad del volcán se encuentra estable con respecto a la del día anterior, los niveles que presenta son bajos. Mayo 8, :30 GMT En las últimas 24 horas la actividad del volcán se encuentra estable con respecto a la del día anterior, los niveles que presenta son bajos. Mayo 9, :00 GMT No se han registrado cambios importantes en la actividad en las últimas 24 horas la cual se mantuvo en general en niveles bajos. Mayo 10, :30 GMT No se han registrado cambios importantes en la actividad volcánica en las últimas 24 horas la cual se mantiene estable. Modelación Numérica En general, los modelos numéricos de la atmósfera se basan en el mismo conjunto de ecuaciones que la gobiernan (ecuaciones de movimiento, ecuación termodinámica, ecuación de continuidad, ecuación de estado, ecuación de vapor de agua), pero difieren en: 1) las parametrizaciones y suposiciones; 2) la forma en que se resuelven para hacer el pronóstico, y 3) la parametrización física. El modelo numérico de mesoescala MM5 es el utilizado para la realización de este análisis. Este modelo es una herramienta de pronóstico de algunas variables meteorológicas tales como: temperatura, viento, altura geopotencial, vorticidad, presión, precipitación, etc. La variable que nos interesa comparar es la precipitación, ya que es muy importante en el desarrollo del pronóstico meteorológico y de la cual se tienen los valores reales e imágenes de satélite puesto que la nubosidad esta asociada con la precipitación real necesarias para dicho estudio. Cada una de las variables meteorológicas puede calcularse a partir de diferentes parametrizaciones, las cuales son: Anthes-Kuo (Anthes et al. 1978) Grell (Grell et al. 1994) Arakawa-Schubert (Betts, 1986) Fritsch-Chappell (Fritsch et al. 1980) Kain-Fritsch (Kain et al. 1993) y Betts-Miller (Betts et al. 1993) En base a referencias anteriores de resultados ya obtenidos con el MM5 (Hernández et al., 2001), además de tener las características necesarias para su adaptación a las condiciones con las que se cuenta, se ha decidido trabajar con la parametrización Kain-Fritsch, la cual está basada en la relajación para un perfil de vientos debido a las corrientes ascendente y descendente y en las propiedades de región de subsidencia, además de incluir un esquema complejo en la mezcla en la nube. (Tutorial Class Notes and User s Guide) Usando la parametrización de Kain-Fritsch se analizaron las imágenes y los valores calculados de pronóstico generados con el MM5, comparando con las imágenes reales del Geostationary Operational Environmental Satelites (GOES-8) y con los valores reales de precipitación obtenidos de la Subgerencia de Monitoreo Ambiental del Servicio Meteorológico Nacional. Esta parametrización se usó en el modelo al momento de iniciar la corrida y posteriormente al obtener

5 los datos crudos de la salida. Los datos se recopilan para hacer la estadística necesaria para llevar a cabo el análisis subjetivo y objetivo de los resultados, encontrar el coeficiente de correlación y calcular el nivel de confianza de lo pronosticado con el MM5 y hacer una comparación con lo real. En la próxima sección se presentan los resultados y las conclusiones obtenidas de este estudio realizado con los datos generados de las emisiones volcánicas del Popocatépetl y los calculados con el MM5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Las nubes se forman debido al enfriamiento de parcelas de aire húmedo (que puede ser debido ya sea a un ascenso de la parcela o a un proceso isobárico) con una humedad relativa tal que éstas puedan alcanzar un estado de saturación. Por otro lado, se puede hablar de dos procesos fundamentales para la formación de nubes y precipitación. El primero, llamado lluvia caliente, es aquél en el cual la fase sólida del agua (hielo) no interviene. El segundo, conocido como lluvia fría, requiere de la presencia de hielo. Para este trabajo se ha incluido en el modelo un esquema de nubes mixtas, es decir, se toma en cuanta tanto la lluvia caliente como la lluvia fría para el pronóstico de precipitación. Primero describiremos de forma gráfica los resultados generado por el MM5 para las emisiones volcánicas del Popocatépetl del 24 de Abril al 10 de Mayo de 1999 (ver figura 1, anexo) La figura 1 muestra las imágenes pronosticadas con el MM5 tanto las de formación de tormentas y precipitación en toda la República Mexicana y región centro (izquierda), como las imágenes reales generadas con el GOES-8 y la de vientos en la región centro (derecha) para cada uno de los días a analizar en este trabajo para las fechas ya mencionadas. Como se puede observar para los días 25, 27, 29 y 30 de Abril y del 4 y 6 de Mayo, en los cuales hubo influencia volcánica (ver Tabla 1), el MM5 detecta (subjetivamente) las emisiones volcánicas en la formación de tormentas y el patrón de vientos comparando con las imágenes reales del GOES-8 para estos días de influencia a excepción del día 6 de Mayo, el cual el modelo no detecta. Cabe mencionar que los días restantes donde no hubo influencia volcánica, no fueron analizados en este trabajo. Para realizar el análisis objetivo se han hecho los cálculos necesarios para encontrar el coeficiente de correlación y el nivel de confianza de los resultados obtenidos. La figura 2 muestra la lámina de lluvia acumulada de 24 horas pronosticada con el MM5 comparada con los valores reales. LAMINA DE LLUVIA DE ABRIL (REAL VS PRONOSTICADA) 2 Lluvia Promedio (mm) Dia PRONOSTICADA REAL

6 Lluvia Máxima (mm) LLUVIA MAXIMA DE ABRIL (REAL VS PRONOSTICADA) Dia PRONOSTICADA REAL Lluvia Promedio (mm) LAMINA DE LLUVIA DE MAYO (REAL VS PRONOSTICADA) PRONOSTICADA 0.6 REAL Dia Lluvia Máxima (mm) LLUVIA MAXIMA DE MAYO (REAL VS PRONOSTICADA) Dia PRONOSTICADA Figura 2. Comparación de las láminas de lluvia del 24 de Abril al 10 de Mayo de 1999 de la real contra la pronosticada con el MM5. REAL Como puede observarse de estas gráficas el margen de error de la curva real contra la de los valores pronosticados con el MM5 para los días de estudio no es significativo. Se hicieron los cálculos necesarios para encontrar el coeficiente de correlación para ésta variable de precipitación y se encontró que tiene un valor de ρ = 0.78, lo cual significa que tenemos un nivel de confianza del 78% de los resultados pronosticados con el MM5. Además se puede apreciar de la figura 2 que los valores de precipitación tanto los reales como los pronosticada no son grandes. De los resultados anteriores podemos señalar que el modelo de mesoescala es una buena herramienta de trabajo en la detección de fenómenos meteorológicos de manera cualitativa (análisis subjetivo) y cuantitativa (análisis objetivo) ya que, como pudimos observar los días aquí analizados simula con una aproximación bastante generosa los efectos de dichas emisiones volcánicas para este evento.

7 Es importante tomar en cuenta las debilidades del modelo MM5, tales como la introducción de cada una de las ecuaciones de la amplia gama de parametrizaciones de capa límite planetaria, convección y física de nubes, en la interpretación de los resultados tanto en forma cuantitativa como cualitativa. Podemos decir en base a los resultados mostrados en las figuras 1 y 2 que hay un margen de error poco significativo pero que aún así es necesario reducir. Para ello se requieren estudios posteriores para analizar en detalle las condiciones físicas óptimas en la utilización del MM5. El objetivo principal de este estudio es ver el impacto de las partículas de aerosol producidas por emisiones volcánicas para los días aquí analizados. En base a este objetivo y comparándolo con los resultados anteriormente mostrados, podemos concluir que las emisiones volcánicas no tuvieron un impacto considerable en el desarrollo de precipitación, ya que, como pudimos observar de las gráficas de la figura 2 tanto las cantidades pronosticadas con el MM5 como las reales no fueron lo suficientemente significativas en la evolución de precipitación. De lo anterior podemos concluir que el MM5 es una herramienta que da una buena estimación en el pronóstico de precipitación (además de otras variables termodinámicas) en forma cualitativa y cuantitativa, lo cual es de gran ayuda en el pronóstico diario, ya que, detecta claramente hacia donde se dirige el fenómeno meteorológico que este presente en la atmósfera. Por último mencionaremos que es claro que en la modelación numérica siempre existirá un rango de error, lo importante aquí es hacer que cada vez este rango se vaya reduciendo a lo más mínimo a tal grado de poder tener mejores aproximaciones en el pronóstico numérico para la detección de fenómenos atmosféricos que impactan de manera irreversible al medio ambiente. REFERENCIAS Hernández N., Cario C., Blas J.L (2001). Comparación de dos fenómenos meteorológicos (verano e invierno) mediante el MM5 y el GOES-8. Memorias del XI Congreso de la Organización Meteorológica Mexicana. Jiménez J.C., Raga G (2001). Contribución de las emisiones volcánicas a las partículas en aerosol. Tesis de maestría, Centro de Ciencias de la Atmósfera UNAM.

8 ANEXO 24 de Abril, de Abril, 1999

9 26 de Abril, de Abril, 1999

10 28 de Abril, de Abril, 1999

11 30 de Abril, de Mayo, 1999

12 03 de Mayo, de Mayo, 1999

13 05 de Mayo, de Mayo, 1999

14 07 de Mayo, de Mayo, 1999

15 09 de Mayo, de Mayo, 1999 Figura 1. Imágenes de precipitación pronosticadas con el MM5 para la Rep. Mex. y región centro (izquierda). Imágenes reales del GOES-8 y de viento en la región centro (derecha).