CARACTERIZACIÓN DEL INDICE ULTRAVIOLETA DE RIESGO SOLAR EN CONCEPCIÓN DEL URUGUAY

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1 CARACTERIZACIÓN DEL INDICE ULTRAVIOLETA DE RIESGO SOLAR EN CONCEPCIÓN DEL URUGUAY Mariángles J Ernst, Román A Charadía y Pedro S Gonzalez Departamento de Electromecánica Facultad Regional Concepción del Uruguay Universidad Tecnológica Nacional E3264BTD Ing. Pereira 676 Concepción del Uruguay. Argentina marianernst@hotmail.com Palabras claves: IUV- solar- ultravioleta- caracterización- Concepción del Uruguay. Resumen. El índice ultravioleta (IUV) solar se calcula multiplicando por el factor 40[m 2 /W] a los datos de irradiancia solar ultravioleta, para obtener un valor entero entre 1 y 10, o más. El programa TUV (Tropospheric Ultraviolet Visible Model) desarrollado por Madronich et al (NCAR) provee el IUV en función de los datos de entrada: lugar y fecha, columna total de ozono (unidades Dobson), aerosoles (cantidad y tipo) y reflectividad del suelo. En este trabajo se presenta una caracterización del IUV para la ciudad de Concepción del Uruguay en función de la búsqueda de valores adecuados para los distintos datos de entrada al programa. Se calcula también el porcentaje de discrepancia respecto de los datos satelitales de irradiancia solar ultravioleta provistos por el satélite TOMS/NASA. 1 INTRODUCCIÓN El Sol emite energía a través del espectro electromagnético pero principalmente con longitudes de onda entre 200 y 4000 nm. La energía emitida como función de la longitud de onda es muy similar a lo emitido por un cuerpo negro con temperatura cercana a los 6000 K. [1] La radiación ultravioleta (UV) está definida como la radiación electromagnética que tiene longitudes de onda en el rango de 200 a 400 nm. El Índice Ultravioleta (IUV) es una cantidad adimensional definida como 40 veces la irradiancia eritémica [WHO, 2002]: 2 m IUV = 40 EEry W 2 λ= 400nm m IUV = 40 E( λ, t) S W λ= 250nm donde: E Ery es la irradiancia eritémica; Ery ( λ) dλ E(λ,t) es la irradiancia que alcanza la superficie terrestre; S Ery (λ) es el espectro de acción eritémico [2]. El IUV es redondeado para estar más cercano a un número entero y se calcula para la máxima irradiancia eritémica en el día. Es importante conocerlo a fin de saber la protección adecuada contra el sol, ya que la prolongada exposición a la radiación UV puede provocar daños severos en la piel, como eritema (enrojecimiento de la piel) y cáncer, en los ojos como fotoqueratitis y cataratas (opacificación del cristalino) y el sistema inmune, cambios y degeneración de las células y tejidos fibrosos. [3] Puesto que la síntesis de vitamina D se realiza en la piel, el IUV es útil también para determinar si hay suficiente radiación solar que pueda fijar una cantidad significativa de la vitamina antes mencionada. El tiempo de exposición para lograr la síntesis depende directamente del IUV. [4]

2 Hay varios factores que afectan la cantidad de UV que alcanza un sitio específico en la superficie terrestre. Aquí describiremos los más importantes que son los que estudiamos en este trabajo. 1. Factores astronómicos. El factor que influye sobre la radiación UV que alcanza la superficie terrestre es la elevación solar (generalmente descripto con el ángulo cenital, es decir, el ángulo entre la cenit local y la línea visual del Sol). Cuanto más alto está el Sol sobre el horizonte, más corto es el camino atmosférico que la radiación atraviesa antes de alcanzar la superficie terrestre y más baja es la extinción. Otro factor astronómico es la variación de la distancia Sol-Tierra debido a la órbita elíptica. Como resultado de esta variación la irradiancia solar entrante varía en ±3.5% a través del año, y es máxima en Diciembre y mínima en Junio. [1] Otro factor relacionado pero que no será contemplado en el presente trabajo, es la actividad solar, la cual tiene un período establecido de 11 años y es responsable de variaciones de 0.1% en la salida de energía del Sol. 2. Ozono. Debido a que el UV (principalmente UVC y UVB) está involucrado en las reacciones de creación-destrucción del ozono estratosférico (O 3 ), la concentración del O 3 y su distribución vertical tiene efectos fuertes en la cantidad de UV que alcanza la superficie terrestre. [1] El parámetro más importante que describe al contenido del ozono es la columna total del ozono. La efectividad biológica de la irradiancia UVB es muy influenciada por este parámetro. La constante formación y agotamiento del ozono en la atmósfera resulta en un equilibrio de la concentración con un perfil de la altitud característico. La concentración de ozono es más alta en altitudes de 20 a 40 Km. El contenido total de ozono de una columna de aire, reducido a una capa con condiciones estándares de presión y temperatura, es de sólo 3 mm. El contenido total de ozono se da en Unidades Dobson (UD). 1 UD es una capa de 0.01 mm de ozono puro bajo condiciones estándares. [1] El ozono influye, en gran medida, en la porción de longitudes de onda corta de la irradiancia solar ultravioleta. Las longitudes de onda por debajo de 290 nm no pueden ser medidas en la superficie terrestre con detectores estándares debido a la fuerte absorción del ozono. Éste atenúa en gran parte las longitudes de onda de 290 a 320 nm, mientras que las longitudes de onda de alrededor de 320 nm son difícilmente influenciadas por el ozono. [5] 3. Aerosoles. Las partículas líquidas o sólidas suspendidas en la atmósfera (denominadas aerosoles) pueden incluir polvo mineral, aerosoles del mar, partículas carbonizadas (especialmente hollín), sulfato de amonio, y gotitas de ácido sulfúrico diluidas. Su origen puede ser natural o estar relacionado a la actividad humana tal como combustión fósil y quema de biomasa. [6] 4. Albedo. El albedo es la relación entre la irradiancia de longitud de onda corta reflejada desde la superficie terrestre y la irradiancia incidente en la misma. Tanto el albedo local (a algunos cientos de metros) como el regional (superficies mayores a 10 Km. de radio) tienen influencia sobre la radiación entrante UV. Cuando el albedo es bajo y el cielo está despejado, una incerteza del 1% en su valor resulta en incertezas del 0.5% en la irradiancia UV. [1] 5. Altitud. Cuanto más alto sobre el nivel del mar, más corto el camino óptico que la radiación tiene que cruzar para alcanzar la superficie terrestre, y obviamente, más baja es la atenuación sufrida. [1] 6. Otros. Otro parámetro, que en este trabajo no es contemplado ya que se modeliza radiación solar ultravioleta en días de cielo claro, es la presencia de nubes.

3 Las nubes están formadas por pequeñas gotitas de agua o cristales de hielo. La radiación es dispersada cuando la radiación solar pasa a través de las nubes resultando en general en la atenuación de la misma. Hay casos particulares donde las nubes tienen un efecto de aumento de la radiación debido al llamado efecto de borde. [7] Programa TUV. El programa TUV (Tropospheric Ultraviolet Visible Model) desarrollado por Madronich (NCAR) es un modelo de la Transferencia Radiativa. Sus parámetros de entrada están relacionados con los parámetros que influyen sobre la radiación UV y sus parámetros de salida pueden ser tanto valores de irradiancia que llega a la Tierra en cada rango (UV-A, UV-B, eritémica, de daño al ADN) como reacciones de fotólisis. De los parámetros de entrada, cabe detenerse en el AOD y el ssa. El AOD (aerosol optical depth) es la profundidad óptica debido a la extinción que provoca el componente atmosférico aerosol a una determinada longitud de onda. El TUV utiliza el AOD a 550 nm. También se lo denomina turbidez. [8] El ssa (single scattering albedo) es la tasa de extinción que afecta en un medio dispersante y es típicamente función de la longitud de onda. Puede tener valores desde 0 (puramente absorbentes) hasta 1 (puramente dispersantes). Ejemplo de aerosoles con ssa cercano a la unidad, son las nubes y la mayoría de los gases atmosféricos, mientras que el hollín posee un ssa cercano a cero. [8] 2 METODOLOGÍA DE TRABAJO Es objetivo de este trabajo caracterizar la atmósfera de Concepción del Uruguay y sus constituyentes, para obtener el IUV en días de cielo claro. Para eso se empleó el Modelo TUV. Los parámetros de entrada al TUV utilizados son los que se mencionaron en la introducción. Los datos más simples utilizados fueron: localización = (-32.48; ), altitud = 3 m (sobre nivel del mar). El dato del ozono se obtuvo de la base de datos satelitales TOMS/NASA [9]. En la Figura 1 se muestran los datos reales obtenidos para el año 2002 y su valor promedio obtenido mediante un polinomio de orden 5. De esta misma base de datos se obtuvieron los datos de irradiancia eritémica real. La metodología utilizada para encontrar los parámetros tales como aerosoles y reflectividad del suelo, consistió en realizar cálculos iterativos con el TUV hasta aproximar el valor de radiación arrojado por el programa al dato de radiación satelital. Figura 1. Datos satelitales del ozono durante el año Se realizaron cálculos para los días quince de cada mes del año 2002 en el rango de las 12 a 14 hs y se tomó como dato de referencia el máximo valor (dato de mediodía solar). Se buscaron valores de irradiancia eritémica cuya cota superior de porcentaje de discrepancia fuera inferior al 10%. 3 RESULTADOS Luego de varias iteraciones, se encontró más óptimo para una primera aproximación utilizar un valor de AOD constante para todo el año. El valor que mejor aproximaba fue AOD = En cuanto a caracterizar el parámetro tipo de aerosol, se obtuvo mejor acuerdo con el ssa = 0.9. El albedo del suelo encontrado fue de Con la aplicación de estos valores en el TUV se logró un porcentaje de discrepancia inferior al 7%. En la Figura 2 se muestran los valores reales satelitales y los valores utilizando

4 los nuevos parámetros encontrados en el TUV. De aquí en adelante se utilizaron los nuevos valores para obtener nueva información de la ciudad. verano, considerado por SMN como riesgo Muy Alto. De esta evolución y del tipo de piel dependerá el tiempo de exposición máximo bajo el Sol y el tipo de protección a sugerir. Figura 2. Datos de irradiancia eritémica satelitales y del modelo. También se obtuvo el IUV modelizado para un día típico de cielo despejado (sin nubes). Figura 4. Evolución anual del IUV, con la clasificación según SMN. Es muy importante poder pronosticar el IUV, como indicador del riesgo solar, para una ciudad turística como Concepción del Uruguay. 4 PERSPECTIVAS Figura 3. Evolución del IUV para el día 20 de agosto con cielo despejado. En la Figura 3 se puede observar que la radiación ultravioleta alcanza su máximo en el mediodía solar y que tiene un comportamiento simétrico alrededor del mismo. El siguiente paso consistió en obtener la curva anual del IUV, que se muestra en la Figura 4. La misma también presenta la clasificación del IUV según el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) [10]. En esta gráfica se puede apreciar que el IUV en la ciudad de Concepción del Uruguay puede alcanzar valores tan altos como 12 en Puesto que el presente trabajo está realizado en función de los días con cielo claro (cielo despejado), se propone calcular el Índice UV para la cuidad de Concepción del Uruguay para días con presencia de nubes. Otro punto a realizar en el futuro son las pruebas de sensibilidad de cada parámetro sobre el IUV, que implican estudiar el cambio porcentual del mismo. El cálculo también se extenderá en la región para hacer efectiva la comparación entre las ciudades que poseen diferencias en sus constituyentes atmosféricos y en sus altitudes. Se prevé estudiar también el daño al ADN para la región en sus diferentes estaciones. 5 REFERENCIAS [1] CALBÓ, J. PAGES, D. AND GONZALEZ, J. (2004): Empirical Studies of Cloud Effects on UV Radiation: A Review, Reviews of Geophysics.43 RG2002/2005. [2] MCKINLAY, A.F. AND DIFFEY, B.L. (1987): A reference action spectrum for

5 ultraviolet induced erythema in human skin, CIE Journal, [3] WORLD HEALTH ORGANIZATION (2002): Global Solar UV Index: A Practical Guide. World Health Organization - United Nations Environment Programme [4] PIACENTINI, R.D., SALUM, G.M. Y CAÑARTE, C. (2006): Proyecto Índice Ultravioleta en el Ecuador como riesgo solar. Dpto. Médico-científico FEPSO / Instituto de Física Rosario. [3] AMBACH W. Y BLUMTHALER, M. (2004): Characteristics of solar UV irradiances, Meteorol. Zeitschrift, N.F. 3 [4] MADRONICH, S. (1993): The atmosphere and UV-B Radiation al Ground Level, UV-B Radiation and Ozone Depletion. Effects on Humans, Animals, Plants, Microorganims, and Materials. Manfred Teveni Ed. [5] PIACENTINI, R. D., CEDE, A. Y BÁRCENA, (2003): Extreme solar total and UV irradiances due to cloud effect measured near the summer solstice at the high-altitude desertic plateau Puna of Atacama (Argentina), Journal of Atmospheric and Solar-terrestrial Physics 65, [6] AMERICAN METEOROLOGICAL SOCIETY - Página web - y/ [7] TOMS/NASA - Página web - [8] SERVICIO METEOROLÓGICO NACIONAL ARGENTINO - Página web -