Medicion de los niveles de irradianza UV-B de 35,5 nm en Arica, Norte de Chile J. Cortes 1, M. Rivas 2, 3, E. Rojas 2, E. Santander 1, R. Fuentes 4 1. Grupo de Radiación Solar Ultravioleta y Ozono, Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Tarapacá, Casilla 7-D, Arica, Chile, 2. Grupo de Radiación Solar Ultravioleta y Ozono, Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Tarapacá, Casilla 7-D, Arica, Chile, 3. Centro de Investigación del Hombre en el Desierto. Universidad de Tarapacá. General Velásquez 1775,Arica-Chile, 4. Departamento de Mecánica. Facultad de Ingeniería. Universidad de Tarapacá. Resumen Se han realizado mediciones de radiación solar ultravioleta de 35,5 nm mediante el equipo terrestre MICROTOPS-II, en Arica (Latitud 18 28 S Longitud 7 18 W h = 2 metros sobre el nivel del mar) en el periodo 2-22 en torno al mediodía solar. Los valores observados muestran un comportamiento en directa relación a la estacionalidad, con los mayores niveles de irradianza UV-B en los meses de Octubre - Febrero y los menores en el periodo Mayo- Julio. En los dos últimos años del periodo de estudio (21-2) se observó un incremento promedio de la radiación ultravioleta de un 15% ± 3% en comparación al año 2. Se midió el espesor de la capa de ozono en horarios similares a las mediciones de irradianza ultravioleta. Los valores observados para ozono muestran un comportamiento estacional característico para estas latitudes, con valores máximos hacia fines de Invierno (Agosto-Septiembre) y valores mínimos en época de Verano. El espesor de la columna de ozono sobre la vertical del lugar mostró una disminución de aproximadamente un 5% ± 2% en los dos últimos años del estudio. Este comportamiento se puede correlacionar con el incremento observado en los niveles de irradianza ultravioleta en 35,5 nm; no obstante esta disminución en el espesor de la capa de ozono no cubre totalmente el incremento de radiación medido, debiendo explicar la diferencia por intermedio de otros factores. En relación al comportamiento de los aerosoles a 12 nm, los resultados muestran una tendencia promedio similar en los tres años de estudio, lo que conduce a concluir que es un factor que no está jugando un papel importante en las diferencias de irradianza ultravioleta observadas. 19
I. Introducción Observaciones satelitales y de estaciones terrestres claramente han demostrado que la columna total de ozono está decreciendo no sólo en latitudes altas sino que también a latitudes medias en los hemisferios Norte y Sur (Harris et al, 1997). A latitud 45 N, la tendencia en el promedio anual observado en el periodo 1/1979 a 5/1994 ha sido 4,6% por década (WMO, 1995). Este deterioro trae como consecuencia un incremento en los niveles de UV-B que puede resultar muy perjudicial para los sistemas biológicos del planeta (WMO, 1994. Es por ello que cobra creciente importancia determinar la irradiancia solar en este rango espectral que llega a la superficie terrestre y correlacionarla con los valores de la capa de ozono. El conocimiento detallado de la radiación solar próxima a 35 nm es de gran importancia, ya que tiene una marcada implicancia biológica por estar cerca del máximo de efecto de daño al ADN y de carcinogénesis (Jagger,1985). Las características geográficas propias de Arica, la ciudad chilena más cercana al Ecuador, rodeada por desierto y mar, hace que ésta sea una de las ciudades donde se reciben elevados niveles de dosis eritémicas que se encuentran entre los más altos del planeta y constituye una zona natural de investigación de este tipo de radiación. La absorción por ozono estratosférico es sólo uno de los varios procesos que determinan el nivel de la irradianza UV en la superficie terrestre. Otro proceso es la dispersión de la luz solar por las nubes la cual actúa no sólo en reducir la irradianza UV sino también en aumentar su variabilidad a lo largo del año; en adición la absorción por contaminantes atmosféricos y dispersión por aerosoles podrían contribuir a enmascarar la esperada amplificación en radiación UV-B. Las dificultades en aplicar estrictos estándares en la estabilidad y calibración de instrumentos, en conjunto con la suerte de tener una serie de datos de largos periodos, contribuyen a la dificultad de correlacionar el ozono y la radiación ultravioleta, excepto para limitadas evidencias directas como es el caso en la región inmersa en el agujero del ozono antártico. El lugar geográfico donde se realizó este estudio (Arica, 18 28 S, 7 18 W) presenta las características climáticas de una zona costera desértica, con la presencia de una gran nubosidad en las mañanas, con la tendencia general de despejarse hacia el mediodía, especialmente en las épocas de otoño-invierno. Esta situación especial permite la medición de la irradianza UV en condiciones de cielo claro en un gran número de días al año, con la presencia de una nubosidad parcial localizada que no obstruye en la mayoría de los casos el sol directo ni se presenta las relevantes internubes que interfieran en las mediciones de la radiación ultravioleta directa. Por consiguiente, para este tipo de mediciones no es necesario contar con la situación extrema de cielo completamente despejado sino que se tiene un espectro más amplio de situaciones en las que es posible efectuar las mediciones (Micheletti, Luccini y Piacentini, 2) 2
II. Instrumentación El equipo MICROTOPS II es un fotómetro solar manual que mide radiación solar UV-B directa y ozono, así como otros parámetros atmosféricos tales como la columna de vapor de agua y el espesor óptico de aerosoles. El instrumento está provisto con cinco colimadores ópticos alineados con precisión, con un campo visual total de 2,5 y bafles interiores que eliminan las reflexiones internas. Cada canal está sujeto a un filtro de interferencia de banda angosta y un fotodiodo conveniente para el rango de longitud de onda particular. Todos los colimadores se encapsulan en un bloque óptico de aluminio para efectos de estabilidad. Un marcador solar y un apuntador adecuado se conectan permanentemente al bloque óptico y un láser alineador permite asegurar la alineación exacta con los canales ópticos. Cuando la imagen del sol se centra en el marcador solar, indica que todos los canales ópticos están mirando directamente el disco solar. También se captura una cantidad pequeña de radiación circunsolar pero que hace solo una pequeña contribución a la señal. La radiación capturada por los colimadores y luego filtradas inciden en los fotodiodos, produciendo una corriente eléctrica proporcional a la energía radiante interceptada por los fotodiodos. Estas señales se amplifican y se convierten a la forma digital en un convertidor A/D de alta resolución. Las señales provenientes de los fotodiodos son procesadas en serie, a una velocidad de veinte conversiones por segundo, permitiendo que los resultados puedan tratarse como si los fotodiodos fueran leídos simultáneamente. El ozono absorbe mayor radiación en el rango ultravioleta, que en longitudes de onda más largas. Esto significa que la cantidad de ozono entre el Sol y el observador es proporcional a la razón de dos longitudes de onda de la radiación ultravioleta solar. El instrumento MICROTOPS-II usa esta relación para calcular la columna de ozono total (el espesor equivalente de la capa de ozono puro a la presión y temperatura estándar) a partir de las mediciones de tres longitudes de onda en la región de UV, basándose en el método de Langley. Similarmente, como en el instrumento Dobson tradicional, la medición de una tercera longitud de onda adicional permite una posible corrección para una particular desviación de la luz. El equipo MICROTOPS-II fue calibrado mediante comparación con espectrofotómetro Dobson y los datos experimentales obtenidos se procesaron mediante un método gráfico multivariacional. Los datos correspondientes al espesor de la columna de la capa de ozono sobre la vertical del lugar de estudio, fueron obtenidos desde el instrumento TOMS de la NASA. Los valores relacionados con el espesor óptico de aerosoles a 12 nm fueron correlacionados con los datos del equipo AERONET a valores similares de horario y en los mayores niveles de irradianza UV-B de 35,5 nm observados ( en torno a los menores ángulos zenitales del día correspondiente). 21
III. Análisis de datos y resultados La figura 1 muestra los niveles máximos diarios de irradianza UV-B en 35,5 nm medidos con el equipo Microtops II en el período Abril-Diciembre de los años 2-21-22. UV-B 35,5 nm W/m2,15,14,13,12,11,1,9,8,7,6,5 22 2,4,3,2,1, 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 DIA Figura 1. Irradianza UV-B 35,5 nm. Abril-Diciembre 2-21-22 Arica. Latitud 18 28 S Longitud 7 18 W h = 2 msnm Los valores observados muestran un comportamiento en directa respuesta a la estacionalidad, con los mayores niveles de radiación hacia la época de primavera (Octubre- Diciembre) y menores niveles en la época de fines de otoño-comienzos de invierno. Al comparar los valores medidos de irradiación en 35,5 nm en los tres años de estudio, podemos observar un incremento en los niveles de radiación que alcanzan la superficie en los años 21-22, en un rango promedio de 15% ± 3% en relación al año 2, especialmente en los periodos Mayo-Junio y Octubre-Diciembre. Este posible incremento en la irradianza UV-B en 35,5 nm, se puede atribuir a diversos factores, tales como la disminución del espesor de la capa de ozono en la zona de estudio, la menor presencia de aerosoles absorbentes en los dos últimos años en estudio, la disminución de la nubosidad, la inferencia de una mayor irradianza por el ciclo solar, los problemas de una estricta calibración del equipo que midió los niveles de irradianza, etc. Con el objetivo de correlacionar los niveles de irradianza UV-B en 35,5 nm al comportamiento estacional de la capa de ozono sobre la vertical del lugar, se presentan los valores para ozono, obtenidos del instrumento TOMS de la NASA, en la época de estudio (Figura 2) en horario similar en que se midió la correspondiente irradianza UV-B. 22
35 34 33 32 31 3 29 UD 28 27 26 25 24 23 22 21 2 21 2 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 DIA 22 Figura 2. Espesor de la capa de ozono. Marzo-Diciembre de los años 2-21-22. Arica. Latitud 18 28 S-longitud 7 18 W La capa de ozono presente en la vertical del lugar de estudio muestra un comportamiento estacional característico para estas latitudes, con valores máximos hacia fines de invierno (Agosto-Septiembre) y valores mínimos en Otoño (Mayo-Junio) y Verano (Diciembre y meses posteriores). Al comparar los niveles del ozono total para los años en estudio se puede observar una disminución de los valores en los años 21 y 22, en relación al año 2, en un rango promedio de 5% ± 2%. Esta conducta es mostrada en la figura 2 por las líneas de tendencia polinomial de sexto orden y que corresponden a cada año en que se realizó este estudio. La disminución observada en el espesor de la capa de ozono, especialmente en el año 22, que oscila en un valor promedio de un 5%,especialmente en los meses de Mayo-Junio y Octubre Noviembre, se puede relacionar con el incremento observado en la irradianza UV- B en 35,5 nm y que de acuerdo a la información reportada en diversos trabajos se debe reflejar en un aumento en la irradianza recibida en la superficie de un valor cercano al doble del decrecimiento de ozono. Lo anterior estaría en buena concordancia con lo observado en los niveles de irradianza en 35,5 nm (Figura 1), que mostraban un incremento en un rango promedio de 15 % ± 3 %. La diferencia cercana al 5% del total, con respecto al efecto por variación en el espesor de la capa de ozono, se puede atribuir a otros factores que también pueden afectar los niveles de radiación solar, tales como efecto de nubosidad, presencia de mayor o menor cantidad de aerosoles absorbentes, efecto del ciclo solar, o a problemas de calibración del equipo que mide la radiación ultravioleta. Con el propósito de estudiar el posible efecto por aerosoles sobre esta variación en la irradianza, se entregan los valores medidos del espesor óptico (AOT) en 12 nm medidos por el equipo Microtops II en horario similar a las mediciones de ozono y de irradianza UV-B de 35,5 nm ( Figura 3 ). 23
,7,6,5,4,3 2,2,1 22 21 9 11 13 15 17 19 2 1 2 3 25 27 29 31 33 35 Dia 37 39 Figura 3. Espesor óptico de aerosoles(aot) a 12 nm. Abril-Diciembre Años 2-21-22. Arica. Latitud 18 28 S-Longitud 7 18 W El comportamiento observado en los aerosoles muestra una tendencia promedio similar en los tres años de estudio, lo cual conduce a postular que este parámetro no estaría jugando un papel importante en el incremento observado en la irradianza ultravioleta. De acuerdo a los valores obtenidos para el espesor de la capa de ozono y en el espesor óptico de los aerosoles, podemos inferir que el incremento observado en la irradianza UV-B en 35,5 en los años 21 y 22, con respecto al año 2, debería estar relacionado principalmente a las variaciones en el ozono y que la diferencia con respecto al total del incremento se debieran buscar en los parámetros que no se pudieron medir en las condiciones de trabajo. Es difícil sacar conclusiones concernientes a la radiación UV-B que incide sobre la superficie terrestre debido principalmente a problemas de instrumentación relacionadas a su estabilidad térmica y dificultades de calibración. ; además la radiación ultravioleta es afectada no solo por el ozono, sino que también por la nubosidad, aerosoles, polución y albedo terrestre, ya que estos problemas pueden influir fuertemente sobre la determinación de los cambios en la radiación ultravioleta, aún cuando se realicen calibraciones continuas y cuidadosas del espectrofotómetro. Esto podría explicar, al menos parcialmente, el gran incremento de la radiación ultravioleta medida a 35,5 nm con respecto al que se espera de los cálculos inferidos por los modelos de transferencia radiativa basados en el observado cambio del espesor de la capa de ozono. Los resultados obtenidos en este trabajo (Figuras 4 y 5) muestran que la anticorrelación entre la radiación ultravioleta a 35,5 nm y el ozono es evidente. 24
,12,1 OZONO 31 3 UV-B 35,5 nm W/m 2,8,6,4,2, 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 DIA-AÑO 22 29 28 UD 27 26 25 24 Figura 4.- Espesor de la capa de ozono y niveles de irradianza UV-B 35,5 nm.. Abril- Diciembre 22. Arica,8 31,7 3 UV-B 35,5 nm. W m -2,6,5,4,3,2,1 UV-B OZONO 29 28 UD 27 26 25 24 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 DIA-AÑO 2 Figura 5.- Espesor de la capa de ozono y niveles de irradianza UV-B 35,5 nm. Abril- Diciembre- 2.Arica. 25
Referencias Harris,N.R.P., Ancellet G., Bishop,L., Hoffmann,D.J., Kerr,J.B., McPeters,R.D., Prendez,M., Randel, W.J., Stahelin,J., Subbaraya,B.H., Voltz-Thomas, A., zawodny,j., Zerefos,C.S., 1997. Trends in stratospheric and tropospheric ozone. Journal of Geophysical Research 12, 1571-159. World Meteorological Organization, 1995. Scientific assessment of ozone depletion:1994. WMO Ozone Report no37. Genova. Jagger J (1985) Solar UV actions on living cells Editorial Praeger,N.York. USA. Micheletti,M.J., Luccini,E.A., Piacentini,R.D., Medición absoluta y modelización de radiación solar espectral directa de 35,5 nm en Rosario, Argentina (2). 26