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María Teresa Cárdenas Correa
1 DETERMINACIÓN DEL OZONO ATMOSFÉRICO DE LAS MEDIDAS DE MIPAS/ENVISAT Tesis Doctoral realizada por: Sergio Gil López Granada, 2006 Instituto de Astrofísica de Andalucía, CSIC Universidad de Granada
2 DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA UNIVERSIDAD DE GRANADA INSTITUTO DE ASTROFÍSICA DE ANDALUCÍA CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS DETERMINACIÓN DEL OZONO ATMOSFÉRICO DE LAS MEDIDAS DE MIPAS/ENVISAT Director de Tesis: Dr. D. Manuel López Puertas Profesor de Investigación del CSIC Tutor: Dr. D. Francisco José Olmo Reyes Profesor titular del Departamento de Física Aplicada Universidad de Granada Memoria presentada para optar al grado de DOCTOR EN CIENCIAS FÍSICAS Fdo. Sergio Gil López
3 Editor: Editorial de la Universidad de Granada Autor: Sergio Gil López D.L.: Gr ISBN:
5 A mis padres, hermanos y a Judith
6 Índice Capítulo 1 Introducción La atmósfera terrestre Estructura térmica de la atmósfera Distribución de los principales constituyentes atmosféricos El ozono La molécula de ozono El ozono en la atmósfera Producciones químicas Pérdidas químicas Procesos dinámicos (a) Circulación de Brewer-Dobson (b) Corriente polar nocturna (c) QBO (Oscilación casi-bianual) Distribución geográfica Variación temporal El agujero de ozono Predicciones futuras Medidas de ozono en la alta atmósfera Motivación y objetivos de este trabajo Capítulo 2 Medidas de MIPAS 43 i
7 ii Índice 2.1 Objetivos científicos El interferómetro MIPAS Procesado de los datos Cobertura espectral Cobertura espacio-temporal y modos de observación Capítulo 3 Inversión de las medidas de MIPAS Las Ecuaciones del Transporte Radiativo y Equilibrio Estadístico La formulación de las matrices de Curtis El problema de la inversión Inversión en ETL Modelo de cálculo directo: KOPRA Código de inversión: RCP Aplicación a la inversión del O Inversión en no-etl Modelo de no-etl: GRANADA Aplicación a la inversión del O Capítulo 4 Resultados: Concentraciones de O Descripción de los datos Perfiles individuales Efectos del no-etl Efectos de la información a priori Efectos de la regularización Errores debidos a los parámetros de no-etl Latitudes medias Efecto sobre las temperaturas vibracionales Efecto sobre el ozono invertido Verano e invierno polares Efecto sobre las temperaturas vibracionales Efecto sobre el ozono invertido
8 Índice iii Discusión Análisis de errores Distribuciones globales Modo UA Modo UA Modo UA Discusión de los resultados Capítulo 5 Validación y comparación con modelos 2D y 3D Introducción Validación con HALOE y GOMOS Comparación con modelos 2D y 3D Capítulo 6 Resultados: Parámetros de no-etl del O Introducción Errores instrumentales en la región de 5 µm Otras fuentes de error Obtención de la distribución naciente y de la desactivación colisional Inversión Cálculos directos de radiancias Capítulo 7 Conclusiones 197 Capítulo 8 Trabajo futuro 205 Bibliografía 207 Apéndice A Bandas vibracionales del O 3 227
9 4 Índice
10 Capítulo 1 Introducción En la primera parte del capítulo se hace una breve descripción del contexto en el que se engloba el trabajo, intentando enlazar las palabras clave: atmósfera, ozono, MIPAS/ENVISAT y no-etl. Se expone, muy someramente: desde el origen de la atmósfera hasta su posterior evolución; desde los primeros estudios atmosféricos hasta los más recientes; desde el comienzo de la carrera espacial, para tomar medidas atmosféricas, hasta el lanzamiento de ENVISAT (2002); y la importancia del tratamiento del no-etl para el procesado de los datos en la alta atmósfera. Se presta especial atención al ozono, uno de los componentes minoritarios de la atmósfera, fundamental para el desarrollo de la vida en la Tierra. Gracias a las bandas de absorción en el ultravioleta, bloquea la llegada a la superficie de dicha radiación, con energía suficiente como para causar daños en la estructura de ADN de los seres vivos. El descubrimiento del agujero de ozono en los años 80 produjo un interés creciente en el estudio del citado gas. Numerosos han sido los satélites lanzados intentando inferir su distribución y comprender su comportamiento a lo largo de todo el globo. Sin embargo, hasta el lanzamiento de MIPAS a bordo de ENVISAT de la ESA, no eran muchos los que presentaban una completa cobertura temporal, tanto en condiciones diurnas como nocturnas, como espacial, de polo a polo. Aprovechando las características de MIPAS se exponen los objetivos y la motivación del estudio. 1.1 La atmósfera terrestre Para centrar y poner en contexto el trabajo realizado resulta interesante repasar breve y rápidamente la evolución química de la atmósfera. Así, se puede decir que la atmósfera se formó hace aproximadamente unos 4600 millones de años a la vez que la formación de la Tierra misma. En sus orígenes, la composición de la atmósfera se limitaba principalmente a cuatro o cinco compuestos mayoritarios (vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y nitrógeno junto con otras pequeñas cantidades de hidrógeno molecular). A medida que la Tierra evolucionaba, los efectos de la presión erupciones volcánicas fueron expulsando de la atmósfera los gases más ligeros, mientras los más pesados quedaban retenidos por el efecto de la gravedad. Así, las moléculas de hidrógeno y los átomos de helio y neón, al ser demasiado ligeros, fueron expulsados de esta atmósfera 5
11 6 Introducción en formación. La radiación ultravioleta procedente del Sol provocó la fotodisociación de las moléculas de agua generando hidrógeno, que continuaba escapando, y oxígeno molecular que comenzó a reaccionar químicamente con el resto de especies (NH 3 y CH 4 ). Más tarde, hace más de millones de años, con la aparición de los primeros seres vivos y su actividad fotosintética, empezaron a entrar en juego otros compuestos atmosféricos, fundamentales para el desarrollo de la vida, como el oxígeno y el ozono. Y no fue hasta hace unos 1000 millones de años cuando la atmósfera, a grandes rasgos, adquirió su composición química actual. Hoy en día no hay más que mirar a nuestro alrededor, y a nosotros mismos, para darse cuenta de los grandes vínculos que nos unen. Así, las plantas y otros seres fotosintéticos utilizan el CO 2 para devolvernos O 2, mientras que la respiración de los animales realiza la acción inversa. A grandes rasgos, la atmósfera está constituida en un 78% por N 2, un 21% por O 2 y el 1% restante por gases como Ar, CO 2, O 3, H 2 O, CH 4, óxidos nitrosos y otros compuestos minoritarios. La distribución de la concentración, a grandes rasgos, de estos gases en la atmósfera y, debido a la atracción gravitatoria terrestre, hace que la mitad de la masa atmosférica se concentre en los primeros 5.5 km, descendiendo rápidamente su densidad con la altura que, en un 99%, se concentra en los primeros 15 km. Sin embargo, como se verá más adelante, los gases minoritarios juegan un papel fundamental en la explicación de los procesos atmosféricos. Así, viendo los grandes vínculos que relacionan el desarrollo de la vida con la presencia de la atmósfera, y debido a los cambios que ésta ha sufrido en las últimas décadas, existe un interés creciente en el estudio de la misma. Sin embargo, el estudio de la composición química de la atmósfera de la Tierra comenzó mucho antes de que la química comenzase a considerarse como una ciencia. Así, cabe citar una frase que ya Homero escribió en su Odisea:... La tormenta iba acompañada de truenos y relámpagos, y el aire estaba impregnado de azufre.... Este olor que señala Homero se sabe hoy en día que proviene del O 3 atmosférico. Pero no fue hasta finales del siglo XIX cuando comenzó la verdadera carrera hacia el estudio de la atmósfera. El principal problema con que se encontraron los primeros estudios atmosféricos era el señalado anteriormente, existían gases cuya concentración en la atmósfera era tan pequeña que
12 La atmósfera terrestre 7 no podían detectarlos con los medios de la época. No fue hasta 1880 cuando se descubrió lo que sería la huella dactilar de los gases, es decir, las emisiones y absorciones de radiación electromagnética. Así, en 1920 G. M. Dobson construyó un espectrógrafo con un doble monocromador en el UV que le permitió medir por primera vez el ozono atmosférico de manera precisa. En 1948, el belga M. V. Migeotte (Migeotte, 1948) demostró que el metano también estaba presente en la atmósfera en un porcentaje ínfimo, una millonésima parte del volumen total. Así se siguieron detectando gases de concentraciones cada vez menores y en la década de 1950 ya se conocían 14 compuestos atmosféricos. Con la aparición de la química analítica se empezaron a detectar los radicales libres, compuestos con un número impar de electrones, gracias a una mejora de la precisión de las medidas. Hoy en día la precisión de los instrumentos permite medir compuestos con concentraciones de 1 en 10 9 partes por volumen. En la actualidad existen numerosos estudios que relacionan la abundancia de algunos de estos gases, los llamados gases de efecto invernadero y los aerosoles, con la variabilidad climática. El incremento en la emisión de gases de efecto invernadero, a lo largo del siglo XX, es considerada como una de las causas más importantes del calentamiento global de la superficie de la Tierra (Mann y col., 1998; Boer y Yu, 2003). Estos resultados (ver figura 1.1) se basan en la reconstrucción de la tendencia de la temperatura a lo largo de los últimos milenios, y que muestran que, a lo largo del último siglo, se ha producido un calentamiento inusual (Mann y Jones, 2003; Stainforth y col., 2005). Esto ha llevado a que, en los últimos años, se hayan incrementado el número de misiones espaciales para el estudio de la atmósfera. Aunque el sondeo de la atmósfera comenzó con la aparición de la fotografía allá por el año 1839, no fue hasta la segunda mitad del siglo XIX cuando los sensores se montaron sobre globos sonda, y hasta la primera mitad del siglo XX cuando se empezaron a utilizar aviones y satélites artificiales. La ESA (European Space Agency), desde su formación en 1973, ha lanzado numerosos satélites dedicados al estudio de la atmósfera. Uno de sus proyectos más ambiciosos hasta la fecha ha sido el lanzamiento de ENVISAT, el 1 de Marzo del ENVISAT es el mayor satélite científico construido en Europa y consta de 10 instru-
13 8 Introducción Fig. 1.1 Reconstrucción de la tendencia de la temperatura en el último milenio por diferentes estudios. Fuente: htp://wdc.cricyt.edu.ar/paleo/pubs/mann2003b/mann2003b.html mentos diseñados para aportar de manera continua medidas de los distintos gases en la atmósfera, de la distribución de masas de agua marinas, temperatura, coloración del mar, las corrientes y las olas, las superficies heladas, del espesor de la capa de ozono, entre otras. A bordo de este satélite se encuentra MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmosphere Sounding) (Fisher y Oelhaf, 1996), un interferómetro de alta resolución espectral al que se presta especial atención en los capítulos venideros. El sondeo remoto o teledetección de la atmósfera, mediante satélites espaciales orbitando alrededor de la Tierra, posee varias ventajas sobre sus precursores (medidas in situ, cohetes o globos sonda). Entre ellas se pueden citar: una mayor cobertura espacial del globo terráqueo y una prolongada cobertura temporal. Gracias a estas ventajas, las medidas aportadas usando la técnica de sondeo remoto o teledetección constituyen una base de datos continua que ayuda a la comprensión de los cambios que viene sufriendo la atmósfera en las últimas décadas, y que permiten discriminar las tendencias a largo plazo de las variaciones transitorias y estacionales. Para el sondeo remoto de la atmósfera existen diferentes técnicas de observación: 1) observación en el limbo; 2) observación en el nadir y 3) técnicas de ocultación. Mediante la observación en el limbo el satélite mide tangencialmente, en diferentes capas atmosféricas,
14 La atmósfera terrestre 9 las emisiones o absorciones de los principales constituyentes atmosféricos. Los satélites que utilizan la técnica de observación en el nadir miden verticalmente, en dirección perpendicular a la superficie, las emisiones de los compuestos atmosféricos además de la de la superficie o, de la dispersión ( scattering ) solar. Un satélite que utiliza la técnica de ocultación mide, usando como fuente emisora el sol, una estrella u otros cuerpos celestes, la absorción de la radiación emitida por dichos cuerpos al atravesar la atmósfera. Para el sondeo de la alta atmósfera, donde la densidad es muy pequeña, la técnica de observación en el limbo presenta ventajas. Debido al mayor camino óptico que recorre la luz en la atmósfera, se puede inferir la concentración de constituyentes de muy baja densidad. Además, y por este mismo motivo, la señal recibida proviene de la región cercana al punto tangente de la línea de visión con la atmósfera, lo que permite obtener perfiles verticales de las especies con una gran resolución vertical. Otra ventaja con respecto a otros modos es que se evitan fuentes de iluminación exteriores como la superficie terrestre en el caso de nadir. Con la aparición del sondeo remoto de la atmósfera terrestre desde plataformas espaciales se comenzó a estudiar las regiones por encima de los 20 km, hasta entonces poco exploradas de modo sistemático. La baja densidad de la media-alta atmósfera ( km) hace que entre en juego otro factor importante en el análisis de las medidas, el no-equilibrio Termodinámico Local (no-etl) (López-Puertas y Taylor, 2001). Sin entrar en detalle en la naturaleza del ETL en este momento, digamos que en la baja atmósfera, donde la densidad es elevada, las colisiones moleculares son frecuentes (más importantes que los procesos radiativos) y el medio se puede considerar que se encuentra en Equilibrio Termodinámico Local (ETL). En las regiones superiores, más enrarecidas, las colisiones moleculares son insuficientes para acoplar la energía cinética (translacional) de las moléculas con su energía interna (vibro-rotacional). Las poblaciones de los niveles vibracionales de las moléculas atmosféricas, responsables de las emisiones infrarrojas, no vienen descritas por la relación de Boltzman a la temperatura cinética local y, entonces, se precisa de un modelo microscópico detallado (modelo de no-etl) para describir dichas poblaciones.
15 10 Introducción 1.2 Estructura térmica de la atmósfera Las primeras divisiones de la atmósfera en capas se hicieron teniendo en cuenta la presencia de electrones e iones libres, pues las partículas ionizadas eran las más fácilmente detectables. Así, se distinguen dos zonas, la atmósfera neutra y la ionosfera. Esta segunda a su vez se divide, según el perfil de concentración electrónica, en las denominadas: capa D, que se extiende desde los 50 km hasta aproximadamente los km y que desaparece durante la noche; capa E, aproximadamente entre 100 y 150 km; y la capa F, que a su vez se divide en F1 y F2 entre 150 y 300 km. Sin embargo, en la actualidad, una división más útil está basada en la estructura térmica de la atmósfera (ver figura 1.2), ya que la temperatura es un parámetro clave para multitud de procesos físicos que ocurren en la atmósfera y con los que está intimamente correlacionada. Fig. 1.2 Izquierda: representación de la estratificación de la atmósfera con la temperatura. Derecha: procesos que tienen lugar en las diferentes capas atmosféricas y plataformas de sondeo utilizadas. La atmósfera terrestre es transparente a la radiación visible. Ésta llega a la superficie con facilidad produciendo un cierto calentamiento y re-emitiéndose posterior y principalmente en el infrarrojo. Esta radiación re-emitida por la superficie terrestre es re-absorbida principalmente por las capas atmosféricas bajas produciendo un cierto calentamiento de las mismas. Así, las capas de aire más próximas a la superfice de la Tierra están más calientes que las inmediatamente superiores, con un gradiente muy
16 Estructura térmica de la atmósfera 11 pronunciado de temperatura y una discontinuidad en la misma superficie. Esta discontinuidad entre la temperatura de la superficie y la de la propia atmósfera garantiza un flujo neto constante a lo largo de la atmósfera, de otra manera, la atmósfera radiativa no estaría en situación estacionaria (Houghton, 1979). Este gradiente es inestable respecto al movimiento vertical (a esto se añade que la presión normalmente disminuye con la altura de forma exponencial (equilibrio hidrostático)) y, en consecuencia, la convección tiende a eliminarlo y a establecer un gradiente casi adiabático. En el caso concreto de la atmósfera terrestre, la temperatura de la baja atmósfera disminuye con la altura a una media de seis grados por kilómetro definiendo la primera capa, la troposfera. El hecho de que la convección deba hacer frente al excesivo gradiente de temperatura radiativa y a la discontinuidad superficial mencionada, hace que, en parte, la altura de la zona convectiva sea mayor en latitudes bajas que en altas (tanto la temperatura superficial como el flujo emergente son mayores en latitudes medias), lo que explica, en parte, la variación latitudinal de la altura de la tropopausa. La capa de ozono, situada en torno a los 25 km, absorbe la radiación ultravioleta (UV) produciendo un punto de inflexión en el perfil de temperatura (Brasseur y Solomon, 1986). A ese primer punto de inflexión en el que la temperatura invierte su comportamiento se le denomina tropopausa, que marca la transición entre la troposfera y la siguiente capa, la estratosfera. La altura de la tropopausa varía dependiendo de la latitud (la inclinación de los rayos de Sol marcará la medida en que la superficie se calienta) desde los 9 km en los polos a los 18 km en el ecuador. La troposfera, en contraste con la estratosfera, se caracteriza por los importantes movimientos verticales de masas de aire y una mayor abundancia de vapor de agua. Además, es la capa que rige los fenómenos metereológicos como las lluvias o los vientos. Por otra parte, el comportamiento de la estratosfera no viene definido por grandes movimientos convectivos, pues el ascenso de la temperatura con la altura señalado anteriormente lo inhibe. Se dice, por tanto, que está estratificada y de ahí el nombre de estratosfera. Pese a la ausencia de vientos en la dirección vertical, los vientos en la dirección horizontal son muy importantes (Houghton, 1979), lo que facilita que cualquier sustancia que alcance la estratosfera se distribuya más fácilmente a distintas latitudes y longitudes.
17 12 Introducción La abundancia relativa de ozono disminuye con la altura por encima de los km, lo que marca el descenso del calentamiento producido por su absorción de radiación en el UV. Por este motivo la temperatura deja de aumentar con la altura a partir de la estratopausa, situada aproximadamente a 50 km, y que marca la transición entre la estratosfera y la mesosfera. La mesosfera contiene solo el 0.1% de la masa total de la atmósfera. Esto explica que la absorción de radiación solar no sea tan eficaz, como mecanismo de calentamiento atmosférico, como en la baja-media atmósfera (troposferaestratosfera). Así, la temperatura desciende con la altura debido, fundamentalmente, al enfriamiento radiativo del CO 2 en el infrarrojo (López-Puertas y col., 1990). La mesopausa, límite superior de la mesosfera, es la parte más fría de la atmósfera y se encuentra en torno a los 85 km en verano y a 100 km en invierno. Por encima, y debido fundamentalmente a la absorción en el ultravioleta de las moléculas de oxígeno molecular, se vuelve a producir un incremento de la temperatura con la altura (al igual que ocurre en la estratosfera con a la absorción de radiación ultravioleta por el ozono), definiendo una nueva capa, la termosfera. En el caso terrestre, la temperatura en la termosfera aumenta muy rápidamente con la altura, alcanzando valores de entre 500 y 2000 K a unas pocas escalas de altura por encima de la mesopausa, y dependiendo del ciclo diurno y del de actividad solar. Su composición es muy diferente a la de las capas inferiores. Los rápidos procesos de fotodisociación producen una disminución en la densidad relativa de N 2 y O 2, mientras que la densidad relativa de oxígeno atómico llega a ser comparable o incluso mayor a la de ambos compuestos alrededor de los 130 km. La difusión molecular adquiere un papel protagonista, produciendo una separación de los componentes atendiendo a su peso molecular o atómico (debido al efecto de la atracción gravitatoria terrestre) (Brasseur y Solomon, 1986). En alturas superiores, y debido a la conducción térmica, la temperatura permanece constante hasta la zona denominada exosfera, que se extiende desde los 640 km hasta, aproximadamente, los 9600 km, límite exterior de la atmósfera.
18 Distribución de los principales constituyentes atmosféricos Distribución de los principales constituyentes atmosféricos La atmósfera terrestre está constituida fundamentalmente por N 2 y O 2. Sin embargo, existen muchos otros constituyentes que, pese a su baja concentración, juegan un papel muy importante en el balance energético y la fotoquímica. Veamos algunos compuestos que, por su importancia en los distintos procesos atmosféricos, merecen una mención especial. El H 2 O es uno de esos constituyentes minoritarios, con la peculiaridad adicional de que su concentración, en la actualidad, presenta grandes variaciones a pequeñas escalas temporales y espaciales. Los valores máximos se alcanzan sobre la superficie debido a la evaporación de los océanos. Su concentración disminuye rápidamente con la altura hasta niveles inferiores a la tropopausa y, a partir de aquí, permanece casi constante hasta los 80 km, donde su fotodisociación produce un descenso. Es uno de los gases que, por su concentración y sus fuertes bandas ro-vibracionales en el infrarrojo, más importancia tiene en su contribución al efecto invernadero (Henderson-Sellers y Robinson, 1986) jugando, además, un papel fundamental en el balance energético global de la atmósfera. El CO 2 presenta en la actualidad fuentes tanto naturales (respiración, incendios forestales, descomposición de materia orgánica, entre otras), como antrópicas (quema de combustible fósil o industria (Marland y col., 1999)). Es uno de los gases más importantes en la atmósfera (Rind y col., 2001). En la troposfera, como gas de efecto invernadero, siendo el agente potencial más importante en el calentamiento climático (Houghton y col., 1996) y, por encima, por su contribución al enfriamiento radiativo a casi todas las alturas por debajo de 130 km. A estas alturas comienza a descender por la difusión molecular y por la fotodisociación en el ultravioleta. El CH 4 es otro de los gases más importantes desde el punto de vista de su contribución al efecto invernadero (Etheridge y col., 1998). Se produce fundamentalmente por la descomposición de materia orgánica, quema de combustibles fósiles o quema de biomasa. Por el contrario, es destruido en la baja atmósfera (troposfera-baja estratosfera) por los radicales hidroxilo libres.
19 14 Introducción El NO 2 está íntimamente ligado al NO en la baja estratosfera mediante procesos fotoquímicos. Por ese motivo se habla muy comúnmente de ellos como NO x (NO 2 +NO). Se generan fundamentalmente en océanos y bosques, aunque también presentan fuentes antrópicas como la producción de nylon y ácido nítrico y ciertas prácticas de agricultura (Machida y col., 1995). En la estratosfera el NO se genera por la oxidación de NO 2, mientras que reacciona con el ozono generando NO 2 : NO + O 3 NO 2 + O 2 NO 2 + O NO + O 2. Durante el día el NO 2 se fotodisocia y reacciona con el oxígeno atómico generando NO, constituyendo así un ciclo catalítico. Este ciclo es uno de los más importantes procesos de pérdidas del oxígeno impar (O 3 y O) (Crutzen, 1970). Por otra parte, el NO constituye el principal elemento causante del enfriamiento radiativo en la termosfera. El oxígeno atómico, O, esta íntimamente ligado al ozono. Durante el día, en la estratosfera y mesosfera, ambos compuestos se pueden considerar en equilibrio fotoquímico (Kaufmann y col., 2003), pues la principal fuente de generación de oxígeno atómico es la fotodisociación del ozono y su mayor fuente de pérdida es la recombinación con el oxígeno molecular para generar ozono. Por este motivo presenta variaciones diurnas hasta los 85 km. A partir de esta altura se mantiene constante debido a la difusión molecular. Juega un papel fundamental en el enfriamiento radiativo en la termosfera transfiriendo energía cinética a energía interna de moléculas como el CO 2 y el NO, así como por su emisión en 63 µm. El CO, cuya concentración ha disminuido en las últimas décadas (Khalil, 1995), juega un papel muy importante en los procesos químicos de la estratosfera y troposfera al reaccionar con el radical hidroxilo. Por encima de éstas alturas, el tiempo de vida medio fotoquímico es muy largo en comparación con el dinámico, constituyendo así en un perfecto trazador para el estudio de los procesos dinámicos. Aparte de los compuestos y elementos citados, la atmósfera está constituida por partículas en suspensión como aerosoles, que tienen una gran influencia en el clima pues influyen enormemente en la cantidad de radiación de onda corta que llega a la superficie; los halocarburos como, por ejemplo, los clorofluorocarbonos, cuyo origen es
20 El ozono 15 principalmente antrópico. Estos compuestos comenzaron a producirse alrededor de los años 30 como perfectos refrigerantes pero no existen fuentes de pérdida en la troposfera, mientras que en la estratosfera se degradan por la radiación UV generando Cl. Son precisamente estos átomos de Cl los que, mediante ciclos catalíticos, destruyen al ozono (Anderson y col., 1989, 1989b), motivo por el cual se limitó su emisión con diversos tratados internacionales. 1.4 El ozono El ozono fue descubierto sobre 1840 por el alemán Christian Friedrich Schönbein quien lo identificó por su fuerte olor (de hecho, su nombre procede de ahí, de las letras griegas oζειν (ozein) que significa oler ), sugiriendo que este gas podría pertenecer al grupo de los cloruros o bromuros. Más adelante, en 1845, dos químicos suizos, C. Marignac y M. de la Rive, sugirieron que podía provenir de una transformación del oxígeno, mientras que 20 años más tarde, se logró su composición química gracias a J. L. Soret. La primera medida de este gas en la atmósfera la llevó a cabo André Houzeau en 1858 y, más tarde, Albert-Levy fue el primero que lo midió de forma continua en el periodo Por otro lado, los estudios de laboratorio llevados a cabo por Walter Noel Hartley en 1881 llevaron a la conclusión de que la absorción de la radiación UV con λ 300 nm en la atmósfera, descubierto por Alfred Cornu en 1878, se debe al ozono. Posteriormente se observaron otras bandas de absorción del ozono, como la de J. Chappuis (1880) en nm y William Huggins (1890) en nm. Las primeras medidas in situ de su concentración en la atmósfera se hicieron en 1920 por Charles Fabry y Henri Buisson usando las medidas de la radiación UV cerca del suelo, estimando un espesor de la capa de ozono de unos 3 mm. Por la misma época, el británico G.M.B. Dobson construyó un espectrógrafo con un doble monocromador en el UV que le permitió, no sólo medir por primera vez la columna atmosférica de ozono de forma precisa, sino también establecer la variación latitudinal y anual del mismo, descubriendo fuertes correlaciones entre la abundancia del ozono en la estratosfera y
21 16 Introducción las condiciones estacionales. A partir de entonces, los mayores esfuerzos se dedicaron a intentar explicar la química que afecta a dicho gas. Así, en 1929, el matemático y geofísico británico Sidney Chapman sugirió que la formación del ozono provenía de la fotodisociación del oxígeno molecular a λ 200 nm (Chapman, 1930). Más tarde, con las medidas hechas por Paul Götz en 1929, se vio que el ciclo propuesto por Chapman era insuficiente para explicar la abundancia del ozono y se empezaron a sugerir la implicación de otras especies. El vapor de agua mesosférico o los compuestos HO x, propuestos por Bates y Nicolet (1950) y demostrado por Hampson (1965). Los compuestos nitrogenados propuestos por Crutzen (1970) y, por último, compuestos del Cloro propuestos por Cicerone y Stolarki (1974). Un paso fundamental fue la consideración de los CFCs por parte de Mario Molina y Scherwood Roland en 1974 (Molina y Rowland, 1974). Con la inclusión de los CFCs se explicaron las bajas abundancias de ozono encontradas en la primavera Antártica en los años 80, en el desde entonces llamado agujero de ozono. Gracias a estos estudios Crutzen, Molina y Roland fueron galardonados con el premio Nobel de Química en Para evitar el más que esperado crecimiento del citado agujero se acordó la firma del Protocolo de Montreal en Septiembre de 1987, con la que se pretendía regular la emisión de los CFCs. A partir de entonces numerosas han sido las enmiendas y modificaciones del mismo como más tarde se expondrá La molécula de ozono El ozono, cuyo símbolo químico es O 3, es una molécula triatómica no lineal, compuesta por tres atómos de oxígeno con una energía de disociación de 8547 cm 1. Posee tres modos de vibración no degenerados, que son (Banwell, 1983): Desplazamiento simétrico, con una energía de ν 1 = cm 1 =9.06 µm, Flexión, con una energía de ν 2 =700.9 cm 1 =14.2 µm, y Desplazamiento antisimétrico, con una energía de ν 3 = cm 1 =9.6 µm.
22 El ozono 17 Fig. 1.3 Profundidad de penetración de los diferentes tipos de radiación UV en la atmósfera terrestre (www.ccpo.odu.edu). El modo más energético es el ν 3 (Rothman y col., 2003) pero tiene una energía similar al ν 1 lo que unido a su anarmonicidad, hace que los niveles vibracionales superiores estén progresivamente más cercanos entre sí, provocando efectos de resonancia entre ambos y una gran contribución a la emisión en la región de 10 µm, comunmente usada para medir el ozono en la atmósfera. La banda ν 2, más débil, emite sobre los 14.2 µm y está bastante enmascarada por la emisión del CO 2 en 15 µm. La radiación ultravioleta juega un papel fundamental en las capas altas de la atmósfera donde fotodisocia a moléculas como el O 2, O 3 y el N 2. La radiación UV se puede dividir en tres intervalos dependiendo de cuán energética sea. Así, se puede hablar de UV-a ( nm), UV-b ( nm) y UV-c ( nm). La más energética, la banda c, tiene energía suficiente como para producir daños en el ADN de los seres vivos, pudiendo generar diferentes tipos de cáncer. El ozono posee tres bandas fundamentales de absorción en el UV (Burrows y col., 1999): 1) Schumann ( nm) que se puede despreciar en la mesosfera pero es importante en la estratosfera; 2) la banda de Hurtley ( nm) importante también
23 18 Introducción en la estratosfera, generando O( 1 D); y 3) la banda de Huggings ( nm) en la estratosfera y troposfera, generando O( 3 P). Estas bandas de absorción son las que bloquean la llegada de radiación UV (sobre todo la más energética UV-c) a la superficie de la Tierra (ver figura 1.3). Fig. 1.4 Coeficientes de fotodisociación del ozono y del oxígeno molecular en sus diferentes bandas fundamentales de absorción. Con éstos apuntes básicos sobre la molécula de ozono, se exponen cuales son los procesos básicos que controlan su distribución en la atmósfera El ozono en la atmósfera La distribución del ozono en la atmósfera está controlada por tres procesos fundamentales: 1) la creación in situ ; 2) la destrucción in situ (ambas químicas); y 3) el transporte de unas regiones a otras. Como primer paso para la creación de ozono se precisa de la fotodisociación del oxígeno molecular (O 2 ) por la radiación UV a longitudes de onda menores que 240 nm (UV). Ésta genera átomos de oxígeno que, tras recombinarse con otra molécula de
24 El ozono 19 oxígeno, dan lugar a la formación de una molécula de ozono (ver sección ). Así, dos de las claves fundamentales para la formación del ozono son: la presencia de radiación UV y de oxígeno molecular. Por ello, la creación de la mayor cantidad de ozono tiene lugar en la media-alta estratosfera, a una altura entre km en la región de los trópicos (la altura del máximo, depende de la localización geográfica y de la época del año). Por encima y por debajo de estas alturas, los dos efectos (abundancia de O 2 y radiación UV) actúan en contraposición. Por encima, la abundancia de O 2 es menor y, por debajo, hay menos radiación ultravioleta, pues ésta es absorbida a medida que atraviesa la atmósfera. La creación de ozono en este intervalo de alturas produce la escasez de radiación ultravioleta en alturas más bajas (ver figura 1.3) provocando que se genere muy poco ozono troposférico. Así, los efectos beneficiosos para el desarrollo de la vida son dobles: por un lado, actúa como escudo protector, pues la radiación UV es suficientemente energética como para dañar las moléculas de ADN de los seres vivos, es decir, generar cáncer (Nachtway y Rundel, 1982.) y, por otro, la escasez de ozono troposférico es beneficioso pues el ozono es un gas de alta toxicidad. Así pues, la vida media del ozono estratosférico (tiempo medio que transcurre entre la creación y la destrucción de una molécula), es muy pequeña, del orden de una hora entre los km (Brasseur y Solomon, 1986). Por el contrario, la del ozono troposférico es realmente larga, del orden de semanas o meses y, por este motivo, suele ser usado como gas traza en la troposfera. Se explican aquí los principales procesos que intervienen en las producciones y pérdidas químicas, desde la primera teoría sobre el ciclo de Chapman (Chapman, 1930), hasta la posterior inclusión de la química heterogénea (Anderson y col., 1989a, b). Aún considerando todos los procesos químicos, no se explica la distribución espacio-temporal del ozono. Por ello se introducen los procesos dinámicos que, junto con los químicos, explican en gran medida los perfiles de ozono observados en la atmósfera Producciones químicas Fue Chapman en 1930 (Chapman, 1930) el primero que propuso un ciclo químico para explicar las abundancias de ozono en la atmósfera. Propuso como proceso fundamental
25 20 Introducción de su producción la fotodisociación del oxígeno molecular en λ 242 nm. El ciclo de Chapman consta de las siguientes reacciones: O 2 + hν (λ 242 nm) O + O (1.1) O + O + M O 2 + M (1.2) O + O 2 + M O 3 + M (1.3) O + O 3 2O 2 (1.4) O 3 + hν (λ 310 nm) O 2 + O( 3 P) (1.5) O 3 + hν (λ 310 nm) O 2 + O( 1 D) (1.6) Sin embargo, este ciclo sobreestima las abundancias de ozono debido a dos puntos claves que no se tienen en cuenta: - La consideración de especies como Cl x, Br x, HO x y NO x, que contribuyen a la destrucción del ozono. - La existencia de la circulación meridional (del ecuador hacia los polos), denominada circulación de Brewer-Dobson Pérdidas químicas Existen procesos de pérdidas muy importantes no incluidos por Chapman que influyen notablemente en la destrucción del ozono (Brasseur y col., 1996). Estos procesos se pueden dividir en ciclos catalíticos como los que incluyen las especies Br x, Cl x, HO x, NO x y la química heterogénea de la que se hablará en la sección dedicada al agujero de ozono. La fórmula general que rige el comportamiento de estos ciclos catalíticos, es: X + O 3 XO + O 2 XO + O X + O 2 NETO : O 3 + O 2O 2. La importancia de las especies que intervienen en los ciclos catalíticos depende de la región de la atmósfera considerada (Goody, 1995). La familia NO x es dominante en la estratosfera media, mientras que la HO x tiene una influencia mayor en la alta
26 El ozono 21 estratosfera y baja mesosfera (Crutzen, 1970; Hunt, 1966). La familia Cl x influye en un 20 30% en la destrucción del O 3 cerca de los 45 km y en algo más del 10% entre km (Molina y Rowlan, 1974). Mientras que la familia Br x es importante en la baja estratosfera, sobre todo en el invierno de latitudes polares. Otros factores que influyen en la importancia relativa de los diferentes ciclos son: 1) las latitudes y estaciones que marcan las tasas de fotólisis; 2) los procesos que afecten a las concentraciones de las especies activas p.e. NO 2 /NO; 3) procesos químicos homogéneos y heterogéneos que influyen en la transformación de las especies activas o atómicas en especies de mayor tiempo de vida medio; y 4) procesos físicos como la sedimentación y el transporte Procesos dinámicos La distribución de ozono en la atmósfera no sólo depende de las producciones y pérdidas químicas, sino también de las variaciones producidas por los procesos de transporte como vientos meridionales, zonales o verticales (Holton, 2003). Para el caso del ozono, la cantidad de radiación UV en la estratosfera es suficiente como para mantener el tiempo de vida medio químico mucho menor que el tiempo de vida medio dinámico y los efectos de la dinámica no se dejan notar (equilibrio fotoquímico). En la baja estratosfera, donde la radiación UV escasea, el transporte juega un papel fundamental en la distribución de ozono (Roelofs y Lelieveld, 1997). Así, los procesos dinámicos que, fundamentalmente, afectan a la distribución de ozono son tres: 1) la circulación de Brewer-Dobson; 2) la corriente polar nocturna y, 3) la oscilación casi-bianual. (a) Circulación de Brewer-Dobson. Consta de tres etapas fundamentales (Brewer, 1949; Baldwin y col., 2001). La primera es un movimiento ascendente en las regiones tropicales, desde la troposfera a la estratosfera; la segunda, un movimiento hacia los polos a lo largo de la estratosfera; y la tercera, un descenso, en la troposfera en latitudes medias y en la estratosfera y troposfera en las regiones polares. Ésta circulación se origina por el calentamiento solar en los trópicos y las
27 22 Introducción temperaturas más bajas de las regiones polares, produciendo el transporte meridional desde las fuentes (aire caliente), a los sumideros (aire frío). El aire que abandona la troposfera camino de la estratosfera en la región tropical es muy seco y pobre en ozono, pero muy rico en CFCs. Éstos son transportados a latitudes medias-altas, donde la radiación UV los disocia. Dan lugar así a las especies reactivas de Cl y Br que intervienen en los ciclos catalíticos que producen la destrucción del ozono. El descenso en las regiones extratropicales produce una acumulación de ozono en la baja estratosfera. Efecto que se ve favorecido por la larga vida media del ozono en esas regiones. Fig. 1.5 Distribución de CH 4 medida por MIPAS el 11 de junio del 2003, sobre la misma se observan los efectos de la circulación meridional. (b) Corriente polar nocturna. En invierno, en la estratosfera, los vientos zonales (a lo largo de los paralelos) generalmente siguen la dirección de oeste a este (vientos de poniente). En las zonas donde la temperatura tiene sus mayores gradientes latitudinales estas corrientes de aire son aún mayores. En la estratosfera esta zona coincide, en invierno, con la región crepuscular, polar night terminator, esto es, en la región en torno a los 65 donde los
28 El ozono 23 vientos de poniente se hacen más fuertes originando la denomina corriente polar nocturna ( polar night jet ) (Holton y col., 2003; Schoeberl y col., 1992). En el polo de invierno, el enfriamiento radiativo y la ausencia de radiación solar produce un descenso de las temperaturas. Dicho descenso se ve favorecido por el aislamiento de la región polar del resto de la atmósfera producido por la corriente polar nocturna. Además, evita la llegada de aire caliente y rico en ozono procedente de los trópicos, lo que favorece el descenso de temperaturas y la consiguiente formación de las nubes polares estratosféricas (a temperaturas inferiores a 192 K). En verano, estas corrientes desaparecen debido a la presencia de la luz solar y de las mayores concentraciones de O 3, que suavizan los gradientes de temperatura y provocan la inversión de la corriente de aire que se dirije hacia el este. (c) QBO (Oscilación casi-bianual). La principal fuente de la variabilidad interanual del ozono se debe a la QBO (Garcia y Solomon, 1987), que: 1) afecta a la estructura térmica de la estratosfera y, por tanto, al balance fotoquímico de la misma; y 2) tiene mucha influencia sobre la circulación de Brewer-Dobson. Dicha oscilación fue descubierta por Reed en 1961 (Reed y col., 1961), y casi simultáneamente, pero de manera independiente por Veryard y Ebdon (Veryad y Ebdon, 1961). Se genera por los efectos inherentes a la propagación de las ondas de gravedad tropicales desde la troposfera hasta la baja estratosfera (Dunkerton, 1997). Normalmente se observa entre km (con un mayor efecto sobre el ecuador a unos 26 km). El fenómeno consiste en una alternancia, casi periódica, en la dirección de los vientos zonales ecuatoriales del este y del oeste en la estratosfera tropical (ver figura 1.6), con un periodo de meses. Dicha alternancia en la dirección de los vientos se propaga hacia abajo con un ritmo de 1 km/mes antes de ser disipados en la tropopausa. Los vientos del este son generalmente más fuertes y permanecen durante más tiempo en niveles superiores. Para los del oeste ocurre lo contrario, decienden más rápido en tiempo y persiste más tiempo en niveles inferiores (ver figura 1.6). La QBO no solo afecta a la circulación en los trópicos, sino que también afecta, indirectamente, a través de la circulación de Brewer-Dobson a latitudes altas. Por
29 24 Introducción 32 Singapore zonal wind 10 ALTITUDE (KM) Pressure (mb) Year Wind Speed (m/s) 40 Fig. 1.6 Promedio temporal (de ), frente a la altura, de la magnitud y dirección de los vientos en la estratosfera tropical sobre Singapur (1 N, 104 E). La barra de color indica la magnitud y dirección de los vientos. En color naranja-rojo se representan los vientos del oeste con un incremento en la velocidad. En color azulado se representan los vientos del este con un descenso en la velocidad. debajo de 30 km el tiempo de vida medio dinámico del ozono es mucho menor que el fotoquímico y en su distribución se dejan notar los efectos de la QBO. Por encima de 30 km la fotoquímica es la que domina y la QBO producirá perturbaciones en la estructura de la temperatura. En el periodo de descenso de los vientos del oeste se induce un movimiento de descenso en el ecuador y de ascenso en las regiones sub-tropicales. Durante esta fase se mantienen temperaturas más calientes en las capas superiores con vientos del oeste que en las inmediatamente inferiores con vientos del este. Así, la circulación de Brewer- Dobson se ve entorpecida durante esta fase. Todo lo contrario ocurre cuando domina la fase de descenso del este durante la que se favorece a la circulación meridional Distribución geográfica Como se ha comentado anteriormente, la concentración de ozono, en términos generales, muestra valores bajos en la troposfera aumentando a medida que se asciende por la baja-media estratosfera, para volver a disminuir a medida que se sigue ascendiendo por la alta estratosfera-mesosfera, con un segundo máximo en torno a km.
30 El ozono 25 El máximo primario de ozono (Fig. 1.7) está situado a mayores alturas con valores menores en los trópicos que en las regiones polares. Los valores del máximo alcanzan unos DU en los trópicos mientras que puede llegar a alcanzar los DU en los polos. Fig. 1.7 Variación latitudinal del máximo primario del ozono promedio de los datos tomados por Nimbus-7 entre Las flechas negras reflejan el patrón de circulación meridional desde la región tropical a los polos. Estas variaciones latitudinales se deben fundamentalmente a la circulación de Brewer-Dobson que transporta aire desde las regiones tropicales hacia las polares, produciendo: 1) la elevación del máximo de ozono en los trópicos y disminuyendo su valor; y 2) el descenso del máximo y aumento de su concentración (respecto al hecho de considerar únicamente las producciones y pérdidas in situ) en las segundas. Existen diversas formas para expresar la concentración de un gas en la atmósfera: 1) Razón de mezcla, normalmente expresada en ppmv (partes por millón y por volumen), que indica el número de moléculas del gas que hay por cada millón de moléculas de aire en un elemento de volumen; 2) densidad, expresada en moléculas del gas por cm 3 ; 3) presión parcial, fracción de presión atmosférica del gas en cuestión; y 4) DU o unidades Dobson que mide la columna de ozono (1 DU=10 5 m).
31 26 Introducción Variación temporal Se pueden distinguir variaciones temporales a dos escalas diferentes: diurna (día/noche) y estacional. La variación diurna se deja notar por encima de los km. La ausencia de fotólisis como proceso de pérdida de ozono, unido al hecho de que todo el oxígeno atómico se recombina para formar O 3, provocan que durante la noche la concentración de ozono aumente, con las mayores diferencias en la región del máximo secundario, en torno a los km. Por encima de 85 km el perfil de oxígeno atómico no se ve modificado a escalas de tiempo de un día, pues los procesos de difusión molecular depositan O procedente de alturas superiores (Brasseur y Solomon, 1986). Así pues, en la región del máximo secundario la ausencia de fotólisis es el factor clave para explicar el aumento en la concentración de O 3 durante la noche. En la variación estacional (ver figura 1.8) se aprecia un comportamiento diferente para ambos hemisferios. En el invierno del hemisferio norte, verano en el sur, se observan los valores más altos de la columna total de ozono en el polo norte, unos 400 DU. Moviéndonos hacia los trópicos se muestran los valores menores en esta región, en torno a unos 250 DU. Por otra parte, para las latitudes medias de ambos hemisferios se observan las menores variaciones estacionales, oscilando la columna total de ozono entre DU. En el polo sur, verano, se observan unos valores de unos DU. Para el caso del verano en el hemisferio norte, invierno en el sur, se miden en el polo norte unos valores menores que en el invierno, de unos DU. En estas condiciones en los trópicos los valores han descendido hasta los DU. En latitudes medias del hemisferio sur los valores son de unos 325 DU y de unos 350 DU en el polo. Por otra parte, en el hemisferio sur aparece un comportamiento anómalo con unos valores muy bajos en la región polar en primavera. En torno a septiembre-octubre se alcanza unos valores mínimos de unos 200 DU, existiendo un anillo alrededor de esta región con valores muy altos, de unos 400 DU. En diciembre, la situación vuelve a normalizarse, el agujero de ozono desaparece recuperando unos valores de unos DU.
32 450 El ozono TOMS Latitude Jan FebMar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Fig. 1.8 Promedio de las medidas de TOMS de ozono entre los años Se representa la variación latitudinal de la distribución de ozono a lo largo del año. Estas diferencias entre ambos hemisferios, en las mismas condiciones estacionales, se deben fundameltalmente al comportamiento asimétrico de la circulación meridional (Brewer-Dobson) y, zonal, de oeste a este, denominada corriente nocturna polar (ver sección ; Holton y col., 2003). Recapitulando, se puede decir: La región de los trópicos es la que muestra menor variación del ozono a lo largo del año, con unos valores medios de entre DU. Existen variaciones de hasta un 50% en la columna total de ozono, según las estaciones, en las regiones polares. En el hemisferio norte se encuentran los valores máximos durante el final del invierno y el comienzo de la primavera. En el hemisferio sur, la presencia del agujero de ozono sobre la Antártida entre los meses de septiembre y octubre, provoca un descenso anómalo de las concentraciones de ozono hasta los 200 DU. Mientras, en diciembre se recupera
33 28 Introducción llegando a los 300 DU. En latitudes medias en este hemisferio se observa la presencia del anillo de ozono alrededor del agujero de ozono ( 400 DU) en la misma época. Los valores vuelven a la normalidad en el hemisferio sur en el verano polar, con unos valores de unos 325 DU El agujero de ozono En 1985, científicos de la British Antartic Survey anunciaron que el ozono medido en la primavera Antártica era la mitad del que se había medido en los años (Farman y col., 1985). Esta variación no coincidía con las primeras predicciones que hicieron basándose en la variación natural del O 3 en esa zona. Fig. 1.9 Variación de la concentración de ozono en el invierno polar sur (www.ccpo.odu.edu). Durante los años 80 se realizaron numerosos estudios para intentar explicar las excesivamente bajas concentraciones de O 3 observadas durante la primavera Antártica. Por áquel entonces, no se conocía el mecanismo capaz de reducir, tan rápidamente, la concentración de O 3 entre los km. Solo se relacionaba el aumento considerable en la concentración de CFCs con las pérdidas de O 3, pero en alturas superiores (30 35 km), donde una disminución en la concentración de O 3 apenas afectaba a la columna
34 El ozono 29 total. De la misma manera, dicha disminución era poco probable basándose en los ciclos catalíticos del ClO x, pues la mayor parte del Cl a esas alturas se transforma en especies no reactivas (ClONO 2, HCl, Cl 2 o HOCl) que no reaccionan con el ozono. Tampoco se podía explicar mediante el ciclo catalítico del NO x propuesto por Callis y col. (1986). Durante los años 80, cuando se descubrió el agujero de ozono, la actividad solar era máxima. Esto, unido al hecho de que la familia del NO x tiene un origen fotoquímico, favorecía su formación. El NO x formado se transporta posteriormente por la circulación de Brewer-Dobson hacia el polo de invierno, donde mediante ciclos catalíticos producen la destrucción del ozono en grandes cantidades, según los procesos: NO + O 3 NO 2 + O 2 NO 2 + O NO + O 2 NETO : O 3 + O 2 O 2. Las bajas concentraciones observadas no se pudieron explicar hasta que se introdujo un nuevo mecanismo: la química heterogénea. Ésta fue propuesta por primera vez por Crutzen y Arnold (1986), McElroy y col. (1986) y Solomon y col. (1986) y consiste en la producción de Cl reactivo (Cl, ClO), mediante las reacciones: ClONO 2 (g) + HCl(s) HNO 3 (s) + Cl 2 (g) (1.7) ClONO 2 (g) + H 2 O(s) HNO 3 (s) + HOCl(g) (1.8) N 2 O 5 (g) + H 2 O(s) 2 HNO 3 (s) (1.9) Este último proceso se denomina denoxificación pues produce una pérdida neta de NO x generando HNO 3, manteniendo unos niveles altos de las especies reactivas del cloro. Por el contrario, en ausencia de dicho proceso, el N 2 O 5 se fotodisociaría rápidamente generando NO 2 que se recombinaría con el ClO produciendo ClONO 2, neutralizando los efectos de las reacciones 1.7 y 1.8. Así pues, la liberación de ese Cl en forma reactiva a través de dicho mecanismo, produciría la rápida destrucción de ozono
35 30 Introducción mediante el siguiente ciclo catalítico (Anderson y col., 1989a, b): Cl 2 + hν Cl + Cl 2(Cl + O 3 ) 2(ClO + O 2 ) ClO + ClO + M Cl 2 O 2 + M Cl 2 O 2 + hν ClOO + Cl ClOO Cl + O 2 2 (Cl + O 3 ClO + O 2 ) NETO : 2O 3 3O 2, y ClO + O Cl + O 2 Cl + O 3 ClO + O 2 NETO : O + O 3 2O 2. La circulación de Brewer-Dobson (ver sección ) transporta aire caliente y rico en ozono desde la alta troposfera-estratosfera tropical hacia los polos. El bloqueo de esta corriente de aire por la corriente polar nocturna (ver sección ) provoca un aislamiento de la región polar, con el consiguiente enfriamiento de la misma. A temperaturas inferiores a 192 K se forman las nubes polares estratosféricas (PSCs), que proporcionan el medio sólido sobre el que tienen lugar las reacciones heterogéneas (Toon y Turco, 1991.). De esta manera, el agujero de ozono se relacionó con la formación de las PSCs en la baja y fría estratosfera del vórtice polar. Existen dos tipos de PSCs, las de tipo II formadas por cristales de hielo de vapor de agua de 10 µm, y las de tipo I cuya composición se conoce peor, pero que parecen formadas por NAT (trihidratos de ácido nítrico), con un tamaño de 1 µm (Del Negro y col., 1997). En septiembre, la llegada de los primeros rayos de sol sobre la Antártida no es suficiente para producir un calentamiento de la región polar pero sí para generar las especies reactivas del Cl. Así, mediante la química heterogénea que tiene lugar sobre las PSCs se explicaba la localización temporal y espacial del agujero de ozono sobre la Antártida en primavera, pero no sobre el Ártico. Las diferencias fundamentales entre ambos hemisferios que
36 El ozono 31 hacen que el agujero de ozono sea mucho más pronunciado en el polo sur, vienen ligadas a la climatología de ambas regiones polares, que a su vez se debe al diferente patrón de circulación. Polo norte.- Existen mayores irregularidades en la orografía y un mayor contraste de temperaturas entre las zonas de tierra y mar, lo que produce una mayor y más intensa actividad de las ondas planetarias. Esto da lugar a vientos meridionales (norte-sur) que contribuyen a fortalecer la circulación de Brewer- Dobson. Así, mayor cantidad de aire caliente y rico en ozono llega a la región polar Ártica y, por tanto, la corriente polar nocturna se ve debilitada. Esto produce a su vez que las temperaturas que se alcanzan en la región polar no sean tan frías como en el polo sur. Consecuentemente la formación de las PSCs es más escasa, y la química heterogénea poco importante con especies reactivas. Polo sur.- Existe un menor contraste de temperatura entre las zonas de tierra y mar, dando lugar a una actividad de las ondas planetarias mucho menor y a que los efectos de la corriente polar nocturna sean mucho mayores, mientras que los de la circulación de Brewer-Dobson menores. Así, las temperaturas alcanzadas en el vórtice polar son mucho menores, favoreciendo la formación de PSCs. Por ello, los efectos de los procesos catalíticos son mucho más notables Predicciones futuras En 1985 se firmó un convenio para la protección de la capa de ozono, el Convenio de Viena. En él se acordó una serie de medidas para... proteger la salud humana y el medio ambiente contra los efectos adversos resultantes o que pueden resultar de las actividades humanas que modifiquen o puedan modificar la capa de ozono. Con este convenio, firmado por veinte paises, se pretendía fomentar la cooperación internacional, la investigación sobre asuntos ambientales y el intercambio de información entre los paises vinculados. Lo novedoso de este convenio es que se creó antes que Farman y col., 1986 publicaran su artículo en Nature, advirtiendo de las concentraciones excesivamente bajas de ozono sobre la Antártida. Con los datos de este trabajo, posteriormente validados por satélites norteamericanos, se hizo más urgente el adoptar unas medidas
37 32 Introducción Past and Future Abundance of Atmospheric Halogen Source Gases Effective stratospheric chlorine (parts per trillion) CFC-12 Effective Chlorine 400 CFC-11 Atmospheric abundance (parts per trillion) CH 3 CCl 3 CCl 4 Halon-1211 CH 3 Cl CFC-113 HCFC- 22 Estimates of historical abundance Observations Future projections HCFC- 141b HCFC- 142b Halon CH 3 Br Year Fig Abundancias de los principales compuestos que destruyen la capa de ozono a lo largo de los últimos 50 años y predicciones futuras (fuente: definitivas. Sobre estas bases se firmó el Protocolo de Montreal en 1987, que regula la emisión de los gases que pudiesen afectar a la capa de ozono. El Protocolo de Montreal se adoptó el 16 de Septiembre de 1987, en la sede de la Organización de Aviación Civil Internacional en Montreal, entrando en vigor el 1 de Enero de 1989, momento en el que fue ratificado por 29 paises y Europa. Con la firma de este Protocolo se pretendía revisar los calendarios acordados inicialmente basándose en informes posteriores de científicos y tecnólogos. Desde la firma del Protocolo de Montreal se han realizado numerosas enmiendas
38 El ozono 33 tratando de disminuir las emisiones de los gases que reducen la concentración de ozono. Sin dichos acuerdos, y suponiendo un incremento del 3% anual en la concentración de las especies que producen la destrucción de la capa de ozono, en el año 2050 los compuestos activos de Cl llegarían a los 17 ppb (cinco veces el valor de los años 80). Ésto produciría una disminución de los valores actuales de ozono del 50% en latitudes medias del hemisferio norte y alrededor del 70% en el hemisferio sur, con el consiguiente incremento de radiación UV sobre la superficie, que sería doble en el hemisferio norte y cuadruple en el sur (SAOD, 1998). Con la firma del Protocolo de Montreal dicho número se redujo hasta los 9 ppb (en 1987). Más tarde, con la enmienda de Londres (1990) se reducía la concentración hasta los 4.6 ppb, con la de Cophenague (1992) a aproximadamente 2.2 ppb, la de Montreal (1997) a 2 ppb para el año 2050 (aproximadamente la existente en los años 80). La última, la de Beijing (1999) que entró en vigor el 25 de Febrero del 2002 introdujo medidas de control para la producción de HCFC y restricciones al comercio de dicha sustancia con paises no vinculados al Protocolo, añadió además una nueva sustancia, el bromoclorometano. Sin embargo, las predicciones sobre la recuperación de la capa de ozono a los niveles de los años 80 son algo inciertas, pues existen numerosas interconexiones entre el comportamiento del ozono, con gases como el CH 4, N 2 O, H 2 O, aerosoles y con un posible cambio climático (SAOD, 1998). Por ello, aún recuperando la concentración de Cl de los años 80, no se puede asegurar la total recuperación de O 3. Aún con la considerable disminución de la emisión de CFCs a partir de la firma del Protocolo de Montreal y sus posteriores enmiendas, la eliminación de los mismos de la atmósfera no es instantánea. El tiempo de vida medio de alguno de estos compuestos puede llegar a ser de 100 años. Los modelos de circulación global (GCM) actuales basados en dos medidas fundamentales: por un lado, la columna total de ozono entre los 60 S y los 60 N y, por otro, en los valores mínimos de la columna total presentes durante la formación del agujero de ozono (existen medidas desde los años 80) predicen (WMO, 2003) (ver figura 1.11): Los valores mínimos en la columna total de ozono sobre la Antártida se prevén entre los años
39 34 Introducción Fig Evolución en el tiempo de la abundacia total de ozono en el intervalo latitudinal de 65 N a 65 S, respecto a la abundancia del año Se muestran predicciones futuras, suponiendo la reducción en la concentración de las especies Cl y y Br y pactadas en el Protocolo de Montreal. Una recuperación sustancial de los valores de ozono no se producirá hasta la segunda mitad del siglo XXI. Dichas predicciones dependen de los cambios futuros en el clima y en la composición atmosférica (Schnadt y col., 2002). La acumulación de gases de efecto invernadero como el CO 2, CH 4 y N 2 O es previsible que causen unas temperaturas más templadas sobre la superficie y más frías a niveles estratosféricos. Temperaturas invernales más frías sobre los polos provocarán la creciente formación de PSCs, con la consiguiente destrucción de ozono. El incremento en las abundacias de metano y oxido nitroso (fuentes antrópicas) también podrían causar alteraciones en el balance químico, favoreciendo la destrucción de ozono. Incluso fenómenos naturales, como las erupciones volcánicas, podrían ralentizar el ya de por sí lento proceso de recuperación de la capa de ozono (Briffa y col., 1998; Geller y Smyshlyaev, 2002).
40 Medidas de ozono en la alta atmósfera Medidas de ozono en la alta atmósfera Se asciende en altura y el estudio se centra en la alta atmósfera, una de las regiones atmosféricas menos exploradas por su inaccesibilidad hasta la llegada de las técnicas de teledetección o sondeo remoto desde el espacio. Las primeras medidas de la concentración de ozono en la alta atmósfera (hasta 70 km), las realizó Johnson y col., 1951, utilizando la técnica de espectroscopía de absorción en el ultravioleta (banda de Hartley). Desde entonces y utilizando la misma técnica, lograron obtener la distribución diurna de ozono: Van Hallen y Hopfield, 1952; Johnson y col., 1952; L vova y col., 1964; Poloskov y col., 1966; Nagata y col., 1967; Weeks y Smith, 1968; Krueger, 1969, entre otros. Los primeros en intentar obtener la distribución nocturna de ozono fueron Carver y col. en 1967 y 1972 utilizando la técnica de ocultación de la luna. Con el paso del tiempo se fueron incorporando nuevas técnicas cada vez más sofisticadas, entre las que se pueden citar: Técnicas fotométricas de ocultación desde satélite (Venkateswaren y col., 1961; Fesenkov, 1967) Fotometría espectral midiendo las emisiones nocturnas (airglow) (Reed, 1968) Observaciones desde satélite de la radiación solar retro-dispersada (backscattered) (Rawcliffe y Elliot, 1966; Anderson y col., 1969). Observaciones desde suelo y con cohetes de sondeo de las emisiones del oxígeno molecular en 1.27 µm (Evans y Lewellyn, 1970 y 1972, López-Moreno y col., 1984, 1988). Una de las primeras distribuciones mesosféricas globales de O 3 se obtuvo con el instrumento Cryogenic Circular-Variable Filter Spectrometer (Stair y col., 1974). Posteriormente siguieron otras medidas con sensores más sofisticados (Stair y col., 1985; Rawlins y col., 1993). En las últimas décadas son varias las misiones espaciales lanzadas con el fin de intentar comprender mejor los procesos físicos que rodean al ozono. Sin embargo se hace patente la ausencia de medidas continuas y globales del ozono en la alta atmósfera. Se citan algunas de las misiones más destacadas:
41 36 Introducción SAGE II y III (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment) fue lanzado a bordo de la plataforma espacial Earth Radiation Budget Satellite (ERBS) el 5 de octubre de 1984 y, a bordo de Meteor-3M, el 10 de diciembre del Ambos orbitaban a 650 km de altura, con una inclinación de 57, y medían utilizando la técnica de ocultación solar. El primero disponía de siete canales centrados en 1020, 940, 525, 453, 448 y 385 nm, con una resolución vertical de 0.5 km. Mientras el canal del segundo se extendía entre nm, con una resolución vertical entre 0.5 y 1 km. Obtuvieron el O 3 con una precisión del 5% entre 6 85 km. CIRRIS1-A (Cryogenic Infrared Radiance Instrumentation for Shuttle) (Zhou y col., 1998) se lanzó a bordo del Discovery, orbitando a una altura de 260 km, en una misión que se extendió del 28 de abril al 6 de mayo de Midió tanto en condiciones diurnas como nocturnas, en el intervalo de alturas comprendido entre 60 y 100 km. El filtro usado para medir las emisiones infrarrojas del ozono engloba el intervalo espectral de µm, con una resolución espectral de 1 cm 1. Los errores obtenidos en el O 3 eran del 25% en el caso diurno y del 50% en el nocturno. HALOE (Halogen Occultation Experiment) (Russell y col., 1993) se lanzó con otros diez instrumentos a bordo del Upper Atmosphere Research Satellite (UARS), el 12 de septiembre de Utilizó la técnica de ocultación solar para medir diferentes compuestos atmosféricos, entre los que se encontraba el O 3. La cobertura latitudinal va de los 80 S a los 80 N. Utiliza un radiómetro de banda ancha centrado en 9.6 µm para medir el O 3, en el rango de alturas de 15 a 80 km (actualmente se está intentando extender hasta los 100 km), con una resolución vertical de 2 km. Los perfiles de O 3 se obtienen con una exactitud del 6% entre km y del 20 25% de km y por encima de 60 km. SSUBV (Solar Backscatter Ultraviolet) (Bhartia y col., 1995) voló ocho veces a bordo de ATLAS. Mediante observaciones en el nadir midió, en el ultravioleta, la transmitancia de la radiación solar modificada por la absorción del O 3 entre 250 y 340 nm, con 7 km de resolución vertical entre 20 y 55 km. Se utilizó durante la misión SSBUV-4 en 1992, con una cobertura latitudinal entre 30 S y 60 N, y en la SSBUV-5 durante 1993, entre 55 S y 60 N. Se obtuvieron distribuciones de O 3 con una precisión del 1 2%
42 Medidas de ozono en la alta atmósfera 37 y una exactitud de entre el 4 10%. MAS (Milimeter wave Atmospheric Sounder) (Bevilacqua y col., 1996) formó parte del Atmospheric Laboratory for Applications and Science (ATLAS) de la NASA. Se lanzó en diversas misiones, del 24 de marzo al 2 de abril de 1992 con ATLAS1, del 8 al 17 de abril de 1993 con ATLAS2 y del 3 al 14 de noviembre de 1994 con ATLAS3, orbitando a 300 km de altura. Sondeó la atmósfera en el limbo entre 20 y 80 km, en condiciones diurnas, y hasta los 90 km en nocturnas. No mide las emisiones infrarrojas del ozono, sino las emisiones milimétricas de las transiciones rotacionales en 1846 GHz, obteniendo los perfiles de ozono con una resolución vertical de 3 km. La cobertura latitudinal dependía de la misión, pero englobaba de 70 en un hemisferio, hasta los 40 en el otro. Así, midió de 40 S a 70 N en ATLAS1 y 3 y de 70 S a 40 N en ATLAS2. El error total del O 3 obtenido fue del 15% por debajo de 30 km y entre km, descendiendo al 8% entre km. MLS (Microwave Limb Sounder)(Barath y col., 1993) se lanzó por primera vez a bordo de UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) el 12 de septiembre de 1992, y en una segunda misión a bordo de EOS (Earth Observing System) el 15 de julio del En esta última permaneció tomando medidas continuas 18 meses. Observó en el limbo en una órbita a una altura de 400 km, con una resolución vertical de 5 km. La cobertura latitudinal de las medidas fue, desde 34 de un hemisferio a 80 del otro, en condiciones tanto diurnas como nocturnas. Las líneas de ozono utilizadas estaban centradas en GHz (1.45 mm) y GHz (1.63 mm). La primera, usada para obtener el ozono estratosférico, y la segunda, el mesosférico (Pickett y col., 1992). El error del ozono obtenido es del 15% en todo el intervalo de alturas. CRISTA (Cryogenic Infrared Spectrometers and Telecopes for the Atmosphere)(Offerman y col., 1999) fue lanzado a bordo de dos misiones diferentes, la AS- TROnomical Shuttle PAllet Satellite (ASTRO-SPAS) en la misión STS-66 (1994) y STS-85 (1997). La órbita estaba situada a 300 km de altura con una inclinación de 57. Dos fueron los periodos de observación, desde el 4 al 12 de noviembre de 1994 y del 8 al 16 de agosto de Obtuvo distribuciones globales del ozono mesosférico, de 50 a 95 km. El intervalo espectral cubierto fue de 4 71 µm, incluyendo el canal del ozono
43 38 Introducción en 9.6 µm ( cm 1 ). El intervalo latitudinal cubierto por ambas misiones fue, en condiciones diurnas, de 40 S-61 N y de 18 S a 73 N para CRISTA-1 y CRISTA-2, respectivamente; mientras que en condiciones nocturnas fue de 52 S a 60 N y 73 N a 16 N. Se logró obtener el ozono con un error total del 30 40% en la alta mesosfera baja termosfera. ATMOS (Atmospheric Trace Molecule Spectroscopy) (Abrams y col., 1995) es un interferómetro de Fourier que emplea técnicas de ocultación solar para medir, en el limbo, el espectro de absorción solar al atravesar la atmósfera. Fue utilizado en las diferentes misiones de ATLAS. Se limitó a observaciones durante la salida y puesta del Sol (técnica de ocultación solar). Para obtener el ozono se utilizó el intervalo espectral de µm. Midió el ozono hasta km, con una resolución vertical de 4 5 km. La cobertura latitudinal fue, de 55 S a 30 N con ATLAS-1, 50 S a 10 N con ATLAS-2 y 75 S a 65 N con ATLAS-3. La precisión y exactitud de las distribuciones de O 3 obtenidas son del 4 y del 10%, respectivamente. SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry) (Mlynczak y col., 1998) es un radiómetro de banda ancha lanzado a bordo de la misión TIMED en diciembre del Orbita a 625 km de la Tierra, con una inclinación de Realiza observaciones en el limbo con diferentes canales en el cercano-medio infrarrojo, entre 1.27µm y 17µm. El canal del O 3 está centrado en la emisión de 9.6 µm. Barre continuamente la atmósfera, tanto en condiciones diurnas como nocturnas, con una completa cobertura latitudinal. Los perfiles de O 3 se obtienen con una exactitud del 20% entre km y mayor del 30% entre km. GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) (Bertaux y col., 1991) utiliza la técnica de ocultación estelar para, mediante observaciones en el limbo, medir la absorción de la radiación procedente de una estrella al atravesar la atmósfera de la Tierra. Fue lanzado, junto con MIPAS y otros instrumentos, a bordo de ENVISAT, el 1 de marzo del Posee diferentes intervalos espectrales de observación centradas en 250, 675, , 926 y 952 nm, con dos fotómetros adicionales centrados en nm y nm. Mide tanto en condiciones diurnas como nocturnas, con una completa cobertura latitudinal, incluyendo los polos. El espaciado en altura entre las
44 Motivación y objetivos de este trabajo 39 medidas es de 1.7 km, y es capaz de medir desde los 10 a los 100 km. El error en el O 3 obtenido depende de la temperatura de la estrella utilizada. Para estrellas con temperaturas superiores a 7000 K los perfiles de O 3 se obtienen con una incertidumbre del 5% en todo el intervalo de alturas. 1.6 Motivación y objetivos de este trabajo El ozono es uno de los principales emisores infrarrojos de la atmósfera terrestre y, a su vez, responsable de la estructura térmica de la estratosfera mediante la absorción de radiación en el UV. Sus bandas de absorción en esta región espectral actúan a su vez de escudo protector de dicha radiación en la superficie. Estas bandas, en sus longitudes de onda más cortas, poseen energía suficiente para dañar la estructura de ADN de los seres vivos, pudiendo producir diferentes tipos de cánceres (Nachtway y Rundel, 1982). Por este motivo es fundamental para el desarrollo de la vida en la Tierra. En las últimas décadas, se ha incrementado considerablemente la emisión a la atmósfera de varios gases (CFCs o los denominados gases de efecto invernadero, entre otros) que tienen diversos efectos sobre la composición y estructura de la atmósfera, algunos de los cuales no se comprenden completamente todavía. Así, son necesarias medidas simultáneas y globales de las especies activas en la estratosfera y de gases que son fuentes, sumideros o reservas temporales de éstos, que nos ayuden a entender su distribución, los vínculos que los ligan y los fenómenos atmosféricos con los que se relacionan. Uno de los gases cuya distribución se ha visto modificada por los cambios atmosféricos mencionados es el ozono. Desde el descubrimiento del agujero de ozono en los años 80 (Farman y col., 1985), han sido numerosos los esfuerzos dedicados a entender el comportamiento atmosférico de dicho gas, no sólo de su distribución, sino también de su variabilidad y evolución (Russell y col., 1993; Rawlins y col., 1993; Zhou y col., 1998; Solomon, 1999; WMO, 2003). Han sido varias las misiones científicas espaciales y desde tierra, encaminadas a alcanzar dicho fin (Bhartia y col., 1995; Bevilacqua y col., 1996; Offerman y col., 1999; TOMS; OMI; SCOUT-O3). El lanzamiento de MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmosphere Sounding) (Fisher y Oelhaf, 1996) el 1 de marzo de 2002, a bordo de ENVISAT de la ESA,
45 40 Introducción constituyó un paso adelante en este sentido. MIPAS es un interferómetro de alta resolución (0.035 cm 1 ), amplia cobertura (14.6 µm 4.15 µm) espectral, y alta sensitividad. Además, MIPAS ofrece una completa cobertura espacio-temporal global de la Tierra (de polo a polo y en condiciones tanto diurnas como nocturnas) de manera casi continua durante ya más de cuatro años. Estas características, hacen de MIPAS uno de los instrumentos más apropiados para el estudio del ozono. La alta resolución y amplia cobertura espectral, permiten a MIPAS obtener medidas continuas, simultáneas y globales no sólo de O 3, sino también de varios CFCs, H 2 O, CH 4, así como de familias de especies como la NO y (principalmente NO, NO 2, HNO 3 y N 2 O 5 ) esto es, de prácticamente todos los componentes que intervienen en la química del O 3. La evolución temporal de estos compuestos difiere entre la Antártida y el Ártico (como ejemplo sirvan especies como el O 3, ClONO 2 y HNO 3 ). En este sentido MIPAS aporta medidas continuas en ambos polos (en diferentes condiciones estacionales), que ayudan a caracterizar los procesos químicos que tienen lugar en cada uno, así como su comportamiento y variabilidad en más detalle. Todos estos aspectos están ayudando a profundizar en el conocimiento de los procesos fotoquímicos y dinámicos que tiene lugar en la estratosfera a escala global, muchos de los cuales afectan al O 3. La alta resolución espectral de MIPAS es una ventaja respecto a instrumentos anteriores, que permite obtener el ozono con gran precisión. Así, con el uso de microventanas (Echle y col., 2000), pequeños intervalos espectrales usados en la inversión del ozono, permite: 1) evitar en gran medida la contribución radiativa de otras especies contaminantes ; 2) usar sólo las bandas fundamentales de O 3, lo que reduce de forma substancial los errores debidos a las incertidumbres en los parámetros de no-etl; y 3) evitar la presencia de líneas ópticamente espesas que introduzcan grandes errores sistemáticos en los resultados, debidos fundamentalmente al error en la determinación de la temperatura. Allí donde no es posible evitar la contaminación de otras especies, se utilizan las concentraciones de dichos contaminantes derivadas de las mismas medidas de MIPAS, lo que constituye otra gran ventaja, pues se evita usar datos climatológicos. Así, con MIPAS se obtiene el ozono con una incertidumbre del 5 10% en la estratosfera y baja mesosfera y, de cerca del 20 30% en la alta mesosfera.
46 Motivación y objetivos de este trabajo 41 Una ventana espectral comúnmente utilizada para medir el ozono con radiómetros de banda ancha es la de 10 µm. Las emisiones de las bandas vibracionales de O 3 en esta región se encuentran en condiciones de no-etl en la mesosfera, a partir de los 60 km, por lo que es necesario un tratamiento del no-etl para obtener su concentración con precisión. Los principales parámetros que controlan las poblaciones de los niveles vibracionales del ozono, como son, la distribución naciente resultante tras la recombinación y las tasas de desactivación colisional, no se conocen bien. Existe un casi completo desconocimiento sobre el primero, y las tasas de desactivación colisional sólo se han podido medir para niveles con v i =1 (Menard y col., 1992). Mejorar nuestro conocimiento acerca de los parámetros de no-etl del ozono ayudará pues a obtener concentraciones de O 3 más precisas. Así, para radiómetros de banda ancha, el canal en 10 µm engloba la emisión, no sólo de las bandas fundamentales (v 1 y v 3 ), sino también la de bandas calientes de O 3. Por ejemplo, el instrumento SABER ha de incluir más de 20 bandas vibracionales del ozono en su canal de 10 µm, lo que requiere, para obtener el ozono con un error inferior del 20% en la estratosfera y 30% en la mesosfera, mejorar nuestro conocimiento en los parámetros de no-etl (Mlynczak y Zhou, 1998). MIPAS mide también en la región de 4.8µm donde los niveles vibracionales del O 3 emiten en las bandas combinadas (v 1, v 2 ) y (v 1, v 3 ). La alta sensitividad de MIPAS permite medir la radiancia procedente de niveles muy energéticos (poco poblados), hasta el el equivalente a 3 cuantos v 3, p.e. (102). Así, una vez obtenido el ozono desde la estratosfera hasta la baja termosfera de la región de 14.8 µm y 10 µm, las emisiones en 4.8 µm son de especial importancia para mejorar nuestro conocimiento sobre los procesos de no-etl que gobiernan las emisiones infrarrojas del O 3, principalmente la distribución naciente y las tasas de desactivación colisional. Así, los objetivos que se han marcado en esta memoria son: Invertir y caracterizar, a partir de las medidas de las emisiones infrarrojas del O 3 en 14.8 µm y 10 µm proporcionadas por MIPAS, la concentración de ozono desde la estratosfera hasta la mesosfera, de polo a polo y en condiciones tanto diurnas como nocturnas.
47 42 Introducción Validar las distribuciones de ozono obtenidas con MIPAS con medidas independientes de otros instrumentos. Comparar las distribuciones globales de ozono medidas por MIPAS con las predichas por modelos 2D y 3D. Esta comparación nos ayudará a mejorar nuestro conocimiento sobre los procesos químicos y dinámicos que ocurren en la estratosfera y mesosfera terrestre. De especial importancia es el estudio de la zona de transición día-noche en las regiones polares, la variabilidad tanto diurna como estacional de su concentración, la circulación de Brewer-Dobson, y procesos dinámicos en la mesosfera relacionados con las ondas de marea y los efectos de la circulación meridional en el polo de invierno. Utilizando las medidas de MIPAS en otros intervalos espectrales (fundamentalmente 4.8 µm) en los que MIPAS es sensible a ciertas bandas calientes de O 3, inferir información acerca de los parámetros de no-etl (distribución naciente de estados vibracionales tras la recombinación y tasas de desexcitación colisionales), que afectan a las poblaciones de los niveles vibracionales del O 3.
48 Capítulo 2 Medidas de MIPAS A lo largo de este capítulo se describen las principales características del instrumento MIPAS lanzado a bordo de ENVISAT, de la ESA, el 1 de marzo de Se comienza con la exposición de los principales objetivos científicos. Después se describen las características del instrumento, tipo, detectores, intervalos espectrales cubiertos, sensitividad, entre otras muchas, así como las relativas a su modo de operación (tipo de óbita, cobertura espacio-temporal o sus distintos modos de observación). Se describe también el procesado de los datos de MIPAS desde su recepción en la estación de Kiruna (nivel 0), pasando por su caracterización espectral y geográfica (nivel-1b), hasta la obtención de los perfiles verticales de los diferentes constituyentes atmosféricos (nivel 2). 2.1 Objetivos científicos MIPAS, Michelson Interferometer for Passive Atmosphere Sounding, es un interferómetro de alta resolución espectral (0.035 cm 1, en el espectro no apodizado y 0.05 cm 1, en el apodizado) para el sondeo remoto (teledetección) de la atmósfera de la Tierra (Fisher y Oelhaf, 1996). Fue lanzado con éxito el 1 de marzo de 2002, a bordo del satélite ENVISAT de la ESA (ver figura 2.1). MIPAS ha estado proporcionando medidas, de manera continuada, entre septiembre de 2002 y marzo de 2004 en el modo de alta resolución espectral. A partir de ese momento, diferentes problemas en el interferómetro han provocado que se tenga que reducir la resolución espectral hasta el 41%, modo en el que continúa operando hasta la fecha aunque solo al 35% de su capacidad. Tres son los pilares básicos sobre los que se asientan los objetivos científicos en los que se basó el diseño de MIPAS: Química atmosférica: es necesario un mejor entendimiento de los procesos fotoquímicos que controlan la distribución de los principales gases que rigen el comportamiento de la media atmósfera, en particular el ozono y los compuestos 43
49 44 Medidas de MIPAS Fig. 2.1 Satélite ENVISAT y localización de MIPAS dentro del mismo. químicos que controlan su abundancia. Climatología: es necesario un mejor entendimiento del comportamiento de especies cuyas variaciones temporales producen cambios en el transporte radiativo y que pueden afectar al clima. Meteorología: estudiando la influencia de los procesos dinámicos y radiativos que tienen lugar en la alta troposfera-baja estratosfera en otras regiones de la atmósfera, intentando inferir los vínculos que los unen. Buscando la completa cobertura de estos objetivos científicos se decidió construir un interferómetro centrado en el infrarrojo medio orbitando sobre una plataforma espacial, en una órbita heliosíncrona, con observaciones en el limbo. Las ventajas en la elección del infrarrojo medio, como intervalo espectral en el que se centran las medidas, sobre otras regiones espectrales (visible o ultravioleta) son varias: Es en este intervalo espectral en el que tienen lugar las emisiones de la mayoría de las moléculas atmosféricas, entre ellas, aquellas que ayudan a dar respuesta a algunos de los objetivos científicos planteados (familia del NO y, H 2 O, O 3,
50 Objetivos científicos 45 CO 2 entre otros). La señal atmosférica en este intervalo espectral suele ser mayor que la recibida en otros. El máximo de la función de Planck a 250 K (condiciones atmosféricas) se localiza en torno a 11 µm. Los interferómetros trabajando en el infrarrojo medio son de un tamaño mucho más reducido que los que operan en otros intervalos espectrales (el tamaño viene dictaminado por el límite de difracción y por la resolución espectral requerida, que depende de la distancia máxima entre los espejos que producen el interferograma). Los procesos de calibración del instrumento son mucho más accesibles mediante la observación al fondo de cielo (medidas frías) o a cuerpos negros (medidas calientes). Retomando los objetivos científicos de MIPAS, se describen cuáles son las preguntas abiertas relativas a los mismos y en qué sentido MIPAS contribuye a resolverlas. En las últimas décadas se ha incrementado considerablemente la emisión a la atmósfera de varios gases (CFCs o los denominados gases de efecto invernadero, entre otros) que tienen diversos efectos sobre la composición y estructura de la atmósfera, algunos de los cuales no se comprenden completamente todavía. Así, son necesarias medidas simultáneas y globales de las especies activas en la estratosfera y de gases que son fuentes, sumideros o reservas temporales de éstos, que nos ayuden a entender su distribución, los vínculos que los ligan y los fenómenos atmosféricos con los que se relacionan. En ese sentido MIPAS aporta medidas continuas, simultáneas y globales de varios CFCs, H 2 O, CH 4, O 3, así como de familias de especies como la NO y (principalmente NO, NO 2, HNO 3 y N 2 O 5 ). La evolución temporal de estos compuestos difiere entre la Antártida y el Ártico (como ejemplo sirvan especies como el O 3, ClONO 2 y HNO 3 ). En este sentido MIPAS aporta medidas continuas en ambos polos (en diferentes condiciones estacionales), que ayudan a caracterizar los procesos químicos que tienen lugar en cada uno, así como su comportamiento y variabilidad en más detalle. Todos estos aspectos ayudarán a profundizar en el conocimiento de los procesos fotoquímicos y dinámicos que tiene lugar en la estratosfera a escala global.
51 46 Medidas de MIPAS Para cubrir muchos de los objetivos planteados resulta fundamental el estudio de los procesos dinámicos, pues el comportamiento de la mayoría de las especies citadas se explica mediante la interconexión entre procesos radiativos, químicos y dinámicos. La circulación de Brewer-Dobson es comúnmente aceptada y utilizada para explicar la distribución de ciertos gases en la estratosfera (O 3 y CH 4, como claros ejemplos) (Brewer, 1949; Baldwin y col., 2001). Sin embargo, existen ciertos interrogantes relativos a este patrón de circulación en lo referente al origen de sus variaciones y ritmos de transporte alrededor de la tropopausa (McIntyre, 1999). En este sentido, las medidas de MIPAS de la temperatura, O 3 y H 2 O, para inferir circulaciones adiabáticas mediante el estudio del calentamiento neto adiabático son de gran relevancia (Solomon y col., 1986). Un aspecto importante es la interconexión troposfera-estratosfera (Holton y col., 1995). En ese sentido, y gracias a su resolución vertical, MIPAS aporta medidas de un gran número de especies (H 2 O, CH 4, N 2 O y CFCs) cuyos gradientes verticales cambian rápidamente alrededor de la tropopausa. Las perturbaciones de dichos gradientes son indicativas de los movimientos verticales. Así, se dispone de medidas de los gases anteriores cuyo origen está en la troposfera y de otros, como el O 3 y HNO 3, cuyo máximo de distribución está en la estratosfera. Las interconexiones entre ambos grupos, ayudará a comprender el intercambio troposfera-estratosfera. De especial interés son las regiones polares, las regiones menos entendidas hasta la fecha y sobre las que se ciernen diversos interrogantes relativos a los patrones de circulación. En el interior de la región polar nocturna se observan fuertes corrientes descendentes, desde la alta estratosfera-baja mesosfera a la baja estratosfera-troposfera durante el comienzo de la estación invernal (Siskind, 2000). MIPAS aporta en ese sentido medidas continuas de especies con largo tiempo de vida medio fotoquímico en estas regiones (CH 4, N 2 O y CO), cuyo comportamiento queda determinado por el transporte (Mahlman y col, 1984). La comparación de las medidas tomadas por MIPAS, con las predicciones realizadas por modelos de circulación general sobre su comportamiento y evolución temporal ayudarán a avanzar en el conocimiento sobre los patrones de circulación en las regiones polares. En lo relativo a climatología son necesarias medidas globales y continuas. De esta
52 Objetivos científicos 47 manera se estudia el comportamiento a escalas temporales más extensas (del orden de meses o años) de los distintos constituyentes atmosféricos en la troposfera y estratosfera, ligados con los cambios climáticos. El clima está determinado, fundamentalmente, por los patrones de circulación, la temperatura y la distribución de nubes y vapor de agua. A su vez, estos factores están controlados por la composición atmosférica de las capas cercanas a la superficie. MIPAS aporta medidas que permiten estudiar la variación anual de especies y, familias de especies como la Cl y, HO y y NO y causantes de las variaciones anuales de ozono (Callis y col., (1986); Crutzen y Arnold (1986)) y, en parte, de la climatología. En este sentido MIPAS también aporta medidas de la distribución, estructura y composición de las nubes, incluidas las PSCs, que permitirán estudiar la química heterogénea, fundamental en los procesos de destrucción de ozono. Reseñar también que, debido a la alta sensitividad de MIPAS, se podrá medir la emisión de gases hasta la mesosfera baja termosfera, aportando información fundamental de: temperatura, balance energético, química y dinámica de estas regiones. En este sentido, especialmente importantes son las medidas de H 2 O, CH 4, CO, CO 2, O 3 y NO que MIPAS aporta desde la estratosfera hasta la mesosfera baja termosfera. A partir de las emisiones del CO 2 en 15 y 4.3 µm y del NO en 5.3 µm se determina el enfriamiento radiativo de la alta atmósfera (Funke y López-Puertas, 2000). Los fenómenos dinámicos (los efectos de la circulación meridional en la región polar durante el invierno o, los fenómenos de marea en la mesosfera diurna) se estudian a partir de las distribuciones de gases traza como el CO, H 2 O y NO x, en estas regiones superiores. Para obtener las concentraciones de estos compuestos, sin embargo, los datos de alta atmósfera requieren el tratamiento preciso del no-etl. La alta sensitividad de MIPAS, unida a su gran resolución espectral, permiten discernir la contribución de las diferentes especies e incluso de diferentes bandas de una misma especie, de gran utilidad para el estudio de la alta atmósfera y los procesos de no-etl.
53 48 Medidas de MIPAS 2.2 El interferómetro MIPAS Comparado con otros tipos de interferómetros MIPAS posee, por su diseño, algunas ventajas: 1) ofrece una mejor resolución espectral en el infrarrojo, 2) posee muchas ventajas a la hora de la calibración radiométrica, y 3) debido a que no es un interferómetro de rendija no limita la entrada de la señal, por lo que ofrece una mayor sensitividad y un campo de visión más amplio. Fig. 2.2 Esquema del interferómetro MIPAS. La radiación procedente de la atmósfera es recogida por MIPAS mediante un telescopio de entrada (ver figura 2.2). Un colimador, colima la señal y la dirige a uno de los puertos de entrada del interferómetro. En su interior, el haz de radiación colimado se divide en dos partes iguales mediante un espejo. El 50% de la señal es reflejada y el otro 50% transmitida. Estos dos haces son redirigidos a unos retro-reflectores que reflejan la señal de nuevo al espejo divisor donde son recombinados. Se produce una nueva división de la señal recombinada en dos fracciones que son reconducidas a los puertos de salida donde son medidas por los detectores infrarrojos (ver figura 2.3). Si la distancia entre los retro-reflectoras varía, también lo hace el camino óptico
54 El interferómetro MIPAS 49 Fig. 2.3 Sensitividad rediométrica e identificación de los intervalos espectrales cubiertos por los detectores (los números 1 y 2 indican los puertos de salida). En la parte inferior se observa la cobertura espectral de los filtros o bandas de MIPAS. recorrido por el haz reflejado y transmitido y el patrón de interferencia cambia, generando un patrón de interferencia con máximos y mínimos en caso de tener interferencia constructiva o destructiva, respectivamente. Los patrones de interferencia que se generan dependen, no sólo de la distancia del camino óptico de los haces reflejados y transmitidos (distancia entre los retroreflectores) sino también, de la longitud de onda y de la intensidad de la radiación medida. Por lo que el interferograma contiene información de la distribución espectral de la energía de la radiación colectada por el telescopio. Dicha información es recuperada sin más que aplicar la transformada inversa de Fourier al interferograma. Para que la señal que sale del retro-reflector no se mezcle con la que entra, se utilizan dos puertos de salida donde se sitúan los detectores. Éstos son de mercurio-cadmiotelurio y deben ser mantenidos a una temperatura de 70 K para lograr su máxima sensitividad. A su vez, para reducir al máximo la emisión térmica del módulo óptico, todo éste se mantiene a la temperatura más baja posible, en el caso de MIPAS a 210 K. La resolución espectral queda determinada por la distancia máxima entre los retrorefletores, que en el caso de MIPAS es de 20 cm, determinando una resolución espectral de cm 1 en el espectro no apodizado.
55 50 Medidas de MIPAS 2.3 Procesado de los datos Los datos del nivel 0 lo constituyen los interferogramas tomados por MIPAS y, enviados por ENVISAT, a la estación de KIRUNA (PDHS-K). Estos interferogramas son convertidos a formato digital mediante un conversor analógico-digital (ADC) a bordo del satélite antes de ser enviados a Tierra. El objetivo de este pre-procesado de los interferogramas es poder reducir la cantidad de datos para transmitirlos a Tierra, de 8Mbits/s sin pre-procesar, a menos de 550 kbits/s en formato digital. Una vez en formato digital se produce el filtrado numérico de los mismos (intentado detectar y eliminar el efecto de los rayos cósmicos entre otros). Los detectores de menores longitudes de onda muestran claras no-linealidades en sus funciones respuesta. Estos canales son de especial importancia, pues a partir de sus medidas se obtienen la temperatura y presión. Por este motivo resulta fundamental la corrección de las no linealidades en las respuestas de los diferentes detectores utilizados. Esta corrección está basada en el estudio de las funciones de respuesta de los detectores. Para determinarlas se utilizan los valores máximos y mínimos de los interferogramas, con el fin de caracterizar la posición correcta de la curva de la función de respuesta de cada detector. Así se obtienen los coeficientes del ajuste polinómico con el que se escalan los interferogramas: k = 1 + d 0 F+ d 1 F 2 + d 2 F 3 + d 3 F 4, donde k es la emisión de un cuerpo negro a una temperatura conocida, F es la señal medida en cada detector y d i los coeficientes que se obtienen del ajuste polinómico. Las no-linealidades quedan caracterizadas mediante la medida de varios cuerpos negros a diferentes temperaturas (229.7, 234.9, y K). Los errores radiométricos asociados a las no-linealidades de los detectores son mayores a temperaturas más bajas y son del orden del 3% (Birk y Wegner, 2005). A éstos pasos siguen la calibración radiométrica y espectroscópica de los espectros, así como caracterizarlos geográficamente. Se obtenien así los datos del nivel-1b. El siguiente paso en la cadena de procesado es la obtención de los perfiles individuales de los diferentes constituyentes atmosféricos, nivel 2. La calidad con la que se obtienen los resultados en este nivel depende de la precisión y consistencia de los espectros en el
56 Procesado de los datos 51 nivel-1b. La calibración espectroscópica consiste en la asignación de una frecuencia a cada punto de medida. Se realiza comparando la posición (en el espectro) medida de ciertas líneas atmosféricas, con su posición teórica (bien conocida). Algunas de las líneas espectrales utilizadas en la calibración espectroscópica son: las líneas del O 3 situadas en cm 1, cm 1 y las líneas del H 2 O situadas en cm 1, cm 1 y cm 1. La calibración radiométrica se realiza en dos pasos: 1) Determinación del nivel cero del instrumento (el denominado offset ): es lo que constituye la medida fría. Así denominado porque se determina a partir de la medida del fondo de cielo con el instrumento. De esta manera se determina la emisión propia del instrumento. Las medidas del fondo de cielo se toman con una frecuencia de una cada cuatro barridos completos en altura. Se realizan en un modo de baja resolución espectral (10 veces inferior a la nominal), con lo que cada medida supone tan sólo 0.4 s. 2) Determinación del nivel de ganancia ( Gain calibration ): es lo que constituye la medida caliente. Consiste en la medida de la emisión de un cuerpo negro situado en el interior del instrumento a una temperatura controlada (250 K). Se realiza una vez a la semana. Al igual que en el caso anterior se realiza en un modo de baja resolución espectral y así, el tiempo estimado en tomar dicha medida es de tan solo 0.4 s. Los procesos que causan desviaciones en las características esperadas (diseñadas) de los espectros en el nivel-1b son numerosos. Por ejemplo, desalineaciones en la óptica del instrumento, difracción, entre otros. Por ello se han realizado numerosos estudios de calibración y validación de los citados datos (Nett y col., 2002; Kiefer y col., 2002 entre otros). Dichos estudios muestran que los errores radiométricos no sobrepasan los límites pre-establecidos, del orden del 5% para las longitudes de onda menores de 1500 cm 1 y entre el 2 3% hasta los 2410 cm 1 (Birk y Wagner, 2002). Uno de los aspectos importantes a la hora de modelar los espectros medidos es
57 52 Medidas de MIPAS la determinación de la función de línea instrumental (ILS), es decir, la respuesta del interferómetro a una señal monocromática. La ILS varía con la longitud de onda y determina la resolución espectral del instrumento (medida de la anchura a media altura de dicha función de línea instrumental). En el caso de un interferómetro ideal dicha respuesta es una función sinc. Sin embargo, desalineaciones en la óptica del instrumento, o entre el instrumento y la plataforma espacial sobre la que éste se asienta pueden causar distorsiones a este comportamiento. Así pues, la ILS es la función con la que el espectro atmosférico tiene que ser convolucionado para proporcionar el espectro observado por el instrumento. La ILS de MIPAS se midió de manera precisa antes de su lanzamiento (respuesta del interferómetro a un pulso delta). Con estos datos se constuyó un modelo detallado que describe la función de línea instrumental (BOMEM Inc., 1992 y 1997). Sin embargo, esta función se viene validando regularmente en vuelo y se utilizan para ello líneas atmosféricas fuertes (con una relación señal ruido entre 10 y 30) pero no saturadas, que no estén influenciadas por líneas vecinas (dentro de un intervalo de 0.5 cm 1 alrededor del pico de la línea) en el intervalo de alturas de km. La ILS se modela con un conjunto de parámetros fijos y dos parámetros ajustables. Normalmente para su inversión se utilizan entre una y dos líneas por filtro (líneas pertenecientes a las bandas láser del CO 2, líneas de CO o N 2 O). Mediante el modelo de cálculo directo se convoluciona la forma de la línea atmosférica simulada con la ILS a validar (proporcionada por el modelo existente). Se realiza un proceso iterativo minimizando por mínimos cuadrados las diferencias entre la línea atmosférica medida y modelada para cada punto espectral. Este proceso se realiza una vez el espectro está calibrado espectral y radiométricamente, de manera que la ILS está libre de otras fuentes de errores. Cuando se trata de observaciones en el limbo, como es el caso de MIPAS, la determinación de la altura de apuntado que corresponde al punto tangente de observación es de crucial importancia. La calibración en la altura de apuntado se lleva a cabo mediante la observación, en las longitudes de onda del filtro D, del movimiento de una estrella a lo largo del campo de visión del instrumento. Para llevar a cabo esta calibración el instrumento se usa como un interferómetro pasivo, es decir, los retro-reflectores se
58 Procesado de los datos 53 mantienen fijos a la distancia máxima mientras la estrella atraviesa el campo de visión del instrumento. La calibración del apuntado de MIPAS se obtiene correlacionando el tiempo que tarda la estrella en cruzar el campo de visión con el estimado a partir de la información orbital aportada por los sistemas de control de ENVISAT. Las contribuciones al error en el apuntado del instrumento pueden provenir: del propio instrumento, de un desalineado del espejo azimutal y el de elevación, de un desalineado entre la plataforma y el instrumento, o de variaciones en la altura orbital de la plataforma. Por este motivo, dicha calibración en la línea de visión de MIPAS se lleva a cabo una vez cada mes. Diferentes estudios al comienzo de la misión mostraban una desviación entre la altura tangente estimada y real de más de 3 km (Clarmann y col., 2003b). Sin embargo, y gracias a una modificación en el sistema de apuntado de MIPAS, dicha incertidumbre se logró reducir a unos 900 m (Ridolfi, 2005; Raspollini y col., 2005). Tabla 2.1 Características de los cinco filtros de MIPAS, intervalo espectral, valores de ruido apodizados (en nw/(cm 2 sr cm 1 )) y gases que absorben o emiten en cada uno de ellos. Banda Intervalo espectral Ruido Principales emisores (cm 1 ) o absorbentes A CO 2, O 3, CFC11, CFC12, CFC22, HNO 3 ClONO 2, HNO 4, C 2 H 2, C 2 H 6, CCl 4 OCS, SF 6, aerosoles AB O 3, N 2 O, CFC12, aerosoles B N 2 O, H 2 O, CH 4, HNO 3, N 2 O 5, ClONO 2 CF 4, COF 2, HCN C H 2 O, NO 2, O 3, HNO 3, NO D CO 2, CO, NO, O 3, N 2 O, OH, NO + H 2 O, OCS, COF 2
59 54 Medidas de MIPAS 2.4 Cobertura espectral El intervalo espectral cubierto por MIPAS es de µm dividido en cinco filtros o bandas (ver tabla 2.1 y Fig. 2.5), cuya señal es colectada por varios detectores para lograr la máxima sensitividad en todo el intervalo de longitudes de onda. Fig. 2.4 Esquema de los intervalos espectrales en los que contribuyen los diferentes constituyentes atmosféricos en la región cubierta por MIPAS. En rojo se representan los más importantes para poder cubrir los objetivos científicos de MIPAS. El límite inferior de su cobertura espectral, 685 cm 1 ó 14.6µm, se estableció con el objetivo de inferir, de manera precisa, la temperatura a partir de las emisiones del CO 2 en 15 µm. El límite superior, 2410 cm 1 ó 4.15 µm, viene determinado por la baja sensitividad en longitudes de onda mayores y está ligado al objetivo científico de cubrir la emisión del CO 2 en 4.3 µm, de especial importancia a la hora de determinar el balance energético en la media-alta atmósfera. La división en bandas o filtros se basa en intentar mantener la mejor sensitividad en
60 Cobertura espacio-temporal y modos de observación 55 las regiones espectrales de mayor interés científico, al tiempo que conservar la mayor cobertura espectral posible (ver figura 2.4). La señal se mide utilizando cuatro detectores en cada uno de los dos puertos de salida (ver figura 2.2) que cubren los cinco filtros de MIPAS (dos en el filtro A, uno en AB, uno en B, dos en el filtro C y dos en el D), con información redundante en algunos de los detectores garantizando las medidas (en las regiones de mayor interés científico). Fig. 2.5 Contribución de los diferentes constituyentes atmosféricos dentro de los filtros de MIPAS a una altura tangente de 12 km. En línea roja se representan los niveles de ruido de MIPAS. El ruido espectral equivalente en la radiancia (NESR) (en el espectro apodizado) varía desde los 30 nw/(cm 2 sr cm 1 ) para las longitudes de onda mayores (14 µm), hasta los 4 nw/(cm 2 sr cm 1 ) en longitudes de onda menores (4 µm). 2.5 Cobertura espacio-temporal y modos de observación Envisat gira en torno a la Tierra en una órbita polar heliosíncrona a una altura de 800 km con una inclinación de 98.54, pasando por el ecuador en la parte descendente
61 56 Medidas de MIPAS de la trayectoria (N S) a las a.m. (hora local). Las órbitas tienen un ciclo de repetición de 35 días, con un periodo orbital de minutos esto es, alrededor de 14 órbitas diarias. Fig. 2.6 Representación de la geometría de observación de MIPAS. A lo largo de una órbita completa del instrumento el espejo de elevación le permite, mediante la observación en el limbo (ver figura 2.6), barrer en altura una determinada parte de la atmósfera. Durante dicho barrido, MIPAS es capaz de realizar correcciones para tener en cuenta posibles variaciones en la altura orbital del instrumento o la forma del geoide terrestre. El campo de visión del instrumento es de 30 km en la dirección horizontal y 3 km en la vertical. El espaciado vertical de las medidas varía entre 1 km del modo de alta resolución, hasta los 3 km en el modo nominal. El espejo azimutal y las características de la órbita del satélite le permiten lograr la orientación, tanto en latitud como en longitud, de la parte de la atmósfera que se desea observar. Así, la estrategia seguida consiste, para una determinada localización geográfica, en fijar el espejo azimutal y variar el espejo de elevación para lograr el barrido en altura. MIPAS, en su modo nominal de observación (6 68 km), toma alrededor de 72 perfiles (del orden de 1000/día) registrados a 17 alturas en 85 s (4.5 s/espectro) (ver figura 2.7).
62 Cobertura espacio-temporal y modos de observación 57 Fig. 2.7 Cobertura espacial de MIPAS en uno (panel superior) y tres días (panel inferior). Con los puntos rojos se representan los puntos de barrido de MIPAS. Otra de las innovaciones que introduce MIPAS es que posee una cobertura espaciotemporal completa de la Tierra (ver figura 2.7), de polo a polo y a lo largo de todo el día (incluyendo la región nocturna polar), lo que permite estudiar la variabilidad espaciotemporal de los diferentes compuestos. En particular, a partir de la observación en los cinco filtros del instrumento, y de modo operacional, se obtienen perfiles de presión y temperatura, O 3, H 2 O, CH 4, N 2 O, HNO 3 y NO 2, aunque como se puede ver en la
63 58 Medidas de MIPAS tabla 2.1 y figura 2.5, los diferentes filtros de MIPAS contienen información de muchos otros constituyentes atmosféricos (C 2 H 2, C 2 H 6, CO, NO +, SF 6, HNO 4, CCl 4, ClONO 2, CFCs, aerosoles, entre otras especies). Para cubrir todos los objetivos científicos, MIPAS utiliza varios modos de observación. Cada uno de ellos está ideado para cubrir un objetivo científico específico y poseen diferente cobertura y resolución espaciales, tanto vertical como horizontal (ver tabla 2.2). Tabla 2.2 Características de los diferentes modos de observación de MIPAS. Cada modo puede estar subdividido en otros sub-modos (no incluidos en la tabla), centrados en diferentes regiones atmosféricas que contribuyan, con sus objetivos científicos específicos, al objetivo global del modo. Modo Objetivo Cobertura Espaciado Espaciado de observación científico altura (km) ver. (km) horiz. (km) Nominal Química y dinámica estratosférica Invierno Química y polar dinámica en los polos Interacción tropos- Química troposférica fera-estratosfera e interacción troposfera-estratosfera Alta Química y dinámica atmósfera de la alta atmósfera, No-ETL Dinámica Procesos dinámicos a pequeña escala en la media atmósfera Variaciones Variaciones diurnas diurnas cerca del terminator
64 Cobertura espacio-temporal y modos de observación 59 Son cuatro las escalas temporales de especial importancia cubiertas por MIPAS mediante sus diferentes modos: 1) escalas diurnas, 2) las que describen la química heterogénea (del orden de horas o días), 3) las variaciones estacionales, y 4) evoluciones temporales a mayor escala. Las de escala diurna son de especial importancia para los procesos de validación de las teorías fotoquímicas. Las variaciones estacionales proveen información de los procesos atmosféricos dinámicos, químicos y radiativos que se utilizan para validar los modelos de circulación general. Por otra parte, la cobertura a mayor escala temporal proporciona información sobre los cambios globales aunque son difíciles de garantizar debido a la degradación del instrumento con el paso del tiempo. Sin embargo, MIPAS ha permanecido tomando medidas de manera continuada entre septiembre de 2002 y marzo de 2004, en su modo nominal de resolución espectral y desde entonces, reduciendo la misma hasta el 41% y sólo al 35% de su capacidad.
65 60 Medidas de MIPAS
66 Capítulo 3 Inversión de las medidas de MIPAS En este capítulo se presentan los fundamentos teóricos tanto de la ecuación de transporte radiativo (ETR), como del problema de inversión. Tras ésto, se describe la metodología seguida para resolver ambos problemas en el tratamiento de los datos de alta atmósfera proporcionados por MIPAS. La inversión de O 3 se realiza en dos pasos: 1) inversión en ETL por debajo de 46 km y, 2) inversión en condiciones de no-etl por encima de 46 km. Se describen ambos esquemas de inversión, junto con: 1) el modelo de transporte radiativo, KOPRA, utilizado para simular las radiancias y calcular sus derivadas respecto al parámetro a invertir; 2) el código de inversión propiamente dicho, RCP y 3) el modelo de no-etl, GRANADA, utilizado para calcular las poblaciones de los niveles vibracionales del O 3 en no-etl. Asimismo, se especifican los valores de regularización, la información a priori y las matrices de ocupación utilizadas en ambos procesos de inversión. 3.1 Las Ecuaciones del Transporte Radiativo y Equilibrio Estadístico Cuando la radiación electromagnética atraviesa un medio interacciona con la materia. Dicha interacción produce que la radiación se vea atenuada (procesos de absorción o dispersión) o amplificada (procesos de emisión). En la parte infrarroja del espectro los procesos de dispersión no son importantes y se suelen despreciar frente a la absorción. Así pues, despreciando la dispersión, el cambio en la radiancia (L ν ) al atravesar un medio de espesor ds viene dado por: dl ν = n a κ ν L ν ds + j ν n a ds, (3.1) donde n a es la densidad de átomos o moléculas del medio en ds, κ ν es el coeficiente de absorción y j ν el coeficiente de emisión. El primer término de la ecuación 3.1 indica la cantidad de radiación atenuada al atravesar el medio de espesor ds, mientras el segundo indica la cantidad emitida. La relación entre el coeficiente de absorción y el de emisión ayuda a definir una nueva magnitud, la función fuente, J ν =j ν /κ ν. Si se introduce la magnitud así definida en la ecuación 3.1, se tiene que la variación de la radiancia al 61
67 62 Inversión de las medidas de MIPAS atravesar el medio de espesor ds en un punto P, en la dirección s, viene dada por la expresión dl ν (P, s) ds ) = κ ν n a (L ν (P, s) J ν (P, s). (3.2) Si, además, se define la profundidad óptica entre dos puntos s y s (s>s ), como la ecuación 3.1 toma la forma τ ν (s, s ) = s s κ ν (s )n a (s )ds, (3.3) dl ν (s, s) dτ ν = L ν (s, s) J ν (s, s). (3.4) Esta es la denominada ecuación de transporte radiativo, que es una ecuación diferencial de primer orden. Si se multiplica a ambos lados de la ecuación por el factor integrante, exp( τ ν ), y se integra desde el punto de observación s hasta s o, a lo largo de la dirección s, se llega a la SOLUCIÓN FORMAL de la misma, que toma la forma ( ) s ( ) L ν (s, s) = L ν (s o, s) exp τ ν (s o, s) + J ν (s, s) exp τ ν (s, s) κ ν (s )n a (s )ds, s o (3.5) donde el primer término da cuenta de la radiación recibida en el punto de observación procedente de una fuente exterior al medio (el espacio o fondo de cielo para observaciones en el limbo, el Sol si se utilizan técnicas de ocultación solar o la superficie terrestre para observaciones en el nadir) tras ser atenuada por éste y, el segundo, la emisión de todas las moléculas del medio en cada una de las capas en la que se divide éste, desde s o a s, con la consiguiente atenuación desde la posición de cada capa (s ) al punto de observación (s). Así pues, si se conoce cómo varía la densidad del medio, el coeficiente de absorción y la función fuente entre los puntos s y s o, se conocerá la radiancia monocromática (L ν ). Si el medio se encuentra en equilibrio termodinámico (ver, por ejemplo, López- Puertas y Taylor, 2001), entonces: La ley de distribución de velocidades de los átomos y moléculas responde a la de Maxwell-Boltzmann. El campo de radiación queda descrito por la función de Planck.
68 Las Ecuaciones del Transporte Radiativo y Equilibrio Estadístico 63 La distribución de la población de las moléculas en los estados de energía interna de la misma viene dada por la ley de Boltzman. En el caso de Equilibrio Termodinámico Local (ETL) la función fuente depende únicamente de la temperatura cinética local T y viene dada por la función de Planck, J ν = B ν (T ) = 2hν3 1 c 2 ( hν exp kt ), (3.6) 1 donde ν es la frecuencia, c es la velocidad de la luz, k la constante de Boltzmann y h la de Planck. En no-etl el campo de radiación no viene dado por la función de Planck y sólo se puede decir, que las propiedades radiativas de emisión de la materia vienen caracterizadas por la función fuente. Las poblaciones de los diferentes niveles vibracionales (T v ) no vienen dadas por la temperatura cinética (de equilibrio), sino por las denominadas temperaturas vibracionales, que se defienen como un cociente de poblaciones: n v = g ( v exp E ) v, (3.7) n 0 g 0 kt v donde n representa la población de los niveles vibracionales, g las degeneraciones de los mismos, y E v la energía de cada nivel vibracional. El no-etl se presenta cuando el medio no se encuentra termalizado. Los procesos radiativos dominan sobre los colisionales, de manera que los fotones a lo largo de su camino óptico, ponen en contacto partes del sistema con diferentes temperaturas sin que los procesos colisionales puedan termalizarlo. Cuando la densidad es alta, dominan los procesos colisionales y se está en condiciones de ETL, como ocurre en la parte baja de la atmósfera. A medida que se asciende en altura y desciende la densidad, los procesos colisionales dejan de dominar sobre los radiativos y el no-etl juega un papel fundamental. Pueden darse casos en los que algunas bandas de una misma molécula se encuentren en ETL y otras en no-etl. Dos niveles separados por una diferencia de energía pequeña, necesitan menos colisiones para termalizarse y, por tanto, es más probable que estén en ETL que dos niveles que estén separados por un salto de energía más
69 64 Inversión de las medidas de MIPAS grande. Para los niveles que se encuentren en ETL, la obtención de las poblaciones se simplifica enormemente haciendo uso de la ley de distribución de Boltzmann con T v = T. Para aquellos que se encuentren en no-etl, las ecuaciones de equilibrio estadístico (EEE) (ver ecuación 3.14), quedan acopladas con la ecuación de trasporte radiativo (ver ecuación 3.5) a través de la función fuente y el coeficiente de absorción (ecuaciones 3.12 y 3.13). Consideremos el sistema más simple de dos estados vibracionales excitados de una molécula y tratemos de inferir la forma de la función fuente y del coeficiente de absorción en condiciones de no-etl. Los procesos radiativos que pueblan o despueblan un cierto nivel vibracional son: emisión espontánea, emisión inducida y absorción. Los tres procesos quedan caracterizados mediante sus coeficientes de Einstein A 21, B 21 y B 12, respectivamente (donde el sub-índice 2 denota el nivel superior y el 1 el nivel inferior de la transición, E 2 >E 1 ). Éstos quedan relacionados entre sí, mediante las relaciones de Einstein: A 21 B 21 = 2hν3 c 2 (3.8) donde g 1 y g 2 son las degeneraciones de los niveles. B 12 B 21 = g 2 g 1, (3.9) Así, la variación de la radiancia media (alrededor del ángulo sólido dω) vendrá dada por el ritmo neto de emisión de fotones, emitidos menos absorbidos, dentro del volumen del cilindro de longitud ds alrededor del ángulo sólido dω dl ν ds dω hν = n dω 2A 21 4π + n dω 2B 21 L ν 4π n dω 1B 12 L ν 4π (3.10) donde el término hν se introduce para transformar la radiancia media en número de fotones medios y, dω 4π en el ángulo sólido dω. para contabilizar todos aquellos fotones que quedan englobados Si se introducen las relaciones entre los distintos coeficientes de Einstein en la ecuación 3.10 se obtiene dl ν ds dω = hνb ( 12 g 1 2hν 3 n 2 4π g 2 c 2 + ( g ) 1 n 2 n 1 )L ν dω g 2 (3.11)
70 Las Ecuaciones del Transporte Radiativo y Equilibrio Estadístico 65 e, identificando términos con la ecuación 3.2, se tienen las expresiones de la función fuente y el coeficiente de absorción en su forma más general: ( ) J ν = 2hν3 c 2 (n 1g 2 h(ν ν0 ) exp 1) 1, (3.12) n 2 g 1 kt κ ν = hν [ n 1 B 12 1 n ( 2 n 1 exp hν )] 4π n a n 1 n 2 kt (3.13) donde las poblaciones expresadas con una raya superior indican que corresponden a sus valores en equilibrio, dados por la distribución de Boltzmann a la temperatura T (ver ecuación 3.7). Como se desprende de las expresiones 3.12 y 3.13, tanto la función fuente como el coeficiente de absorción dependen del cociente de poblaciones. En el caso de ETL éste cociente viene dado por la ley de distribución de Boltzmann a la temperatura de la capa; en no-etl, sin embargo, habrá que resolver las ecuaciones de equilibrio estadístico para obtener dichas poblaciones. La forma de dicha ecuación para este caso de dos niveles vibracionales viene dada por n 2 n 1 = B 12 L ν + p t + p nt A 21 + B 21 L ν + l t + l nt, (3.14) donde L ν representa la radiancia media, p denota las producciones térmicas (subíndice t) y no térmicas (subíndice nt), l los procesos de pérdidas (con la misma notación respecto a procesos térmicos y no térmicos), A 21 es el coeficiente de Einstein de emisión espontánea, B 21 el de emisión inducida y B 12 el de absorción. A la solución del sistema de ecuaciones acopladas compuesto por la ecuación de transporte radiativo (Ec. 3.5) y las ecuaciones de equilibrio estadístico (Ec. 3.14) se puede llegar, bien por inversión, bien por iteración o bien por una fómula mixta (ver por ejemplo López-Puertas y Taylor, 2001). Se denominan procesos V-T (vibracional-térmico) a aquellos que tranforman energía procedente del nivel superior implicado en el mismo, en energía térmica translacional y, por lo tanto, estos conducen al ETL. Se denominan procesos V-V (vibracional-vibracional) a aquellos en los que la energía implicada en el proceso no se tranforma en energía térmica translacional, sino que simplemente se redistribuye entre diferentes estados vibracionales, produciendo, normalmente, el alejamiento de las situaciones de ETL.
71 66 Inversión de las medidas de MIPAS La formulación de las matrices de Curtis Uno de los métodos más usuales para resolver el conjunto de ecuaciones formado por la ecuación de transporte radiativo y las ecuaciones de equilibrio estadístico es el de las matrices de Curtis. Este método se basa en dividir la atmósfera en capas homogéneas y en plantear la ecuación de transporte radiativo y las ecuaciones de equilibrio estadístico para cada capa, utilizando los fundamentos de la aproximación de Curtis-Godson (ver sección 3.3.1). La ecuación del transporte radiativo se revuelve expresando las tasas de calentamiento, en una determinada altura o capa, en términos de la función fuente de otras capas y de la radiancia en los límites de la región atmosférica considerada. Dichas tasas de calentamiento vienen dadas por la divergencia del flujo neto en cada capa. Donde a su vez, el flujo neto viene dado por la diferencia del flujo neto saliente (tanto hacia capas superiores como inferiores), que contribuye al enfriamiento de la capa considerada y el flujo neto entrante (tanto procedente de capas inferiores como superiores), que contribuye al calentamiento. Para el caso del sistema simple de dos niveles vibracionales considerado anteriormente, sustituyendo el cociente de poblaciones (ecuación de equilibrio estadístico 3.14) en la ecuación 3.12, se tiene donde J ν = L ν + ɛ 1 B ν 1 + ɛ 2, (3.15) ɛ 1 = p ( ) totg 1 hν exp A 21 g 2 kt 1 (3.16) y ɛ 2 = l tot A 21 (1 p totg 1 l tot g 2 ) (3.17) donde L ν es la radiancia media a la frecuencia ν, l tot son las pérdidas totales debidas a los procesos colisionales (tanto procesos térmicos como no térmicos), p tot son las producciones totales debidas a los procesos colisionales (térmicas y no térmicas). La tasa de calentamiento se puede expresar en la forma (ver López-Puertas y Taylor,
72 El problema de la inversión ) h 12 = 4πSn a (L ν J ν ) (3.18) donde S es la intensidad de la banda vibracional S = ν κ νdν. Despejando L ν de la ecuación 3.18 y sustituyéndola en 3.15, se obtiene que para cada capa l, y J ν,l = ɛ 1,l 1 B ν,l + h 12,l (3.19) ɛ 2,l 4πS l n a,l ɛ 2,l h 12 = C 12 J ν + γ 12. (3.20) La ecuación de transporte radiativo se resuelve considerando la contribución neta al calentamiento radiativo del resto de capas (subíndice j) a la capa l, en la forma h 12,l = j C 12,lj J ν,j + γ 12,l (3.21) donde C 12,lj es el elemento lj de la denominada matriz de Curtis, C 12, y γ 12,l son las contribuciones a la capa l de otras posibles fuentes de calentamiento exteriores a la región atmosfércia considerada, por ejemplo, radiación solar o radiación procedente de la superficie de la Tierra. Las condiciones de contorno que se consideran para la resolución del sistema se basan en considerar que la función fuente es igual a la de Planck en el límite inferior y, que la derivada de la función fuente es nula en el límite superior (López-Puertas y Taylor, 2001). Los elementos diagonales de las matrices de Curtis representan el enfriamiento radiativo debido a la emisión de radiación de la capa l al espacio y, el resto de términos representan el intercambio neto de radiación con las capas superiores (elementos situados a la derecha de la diagonal) e inferiores (a la izquierda de la diagonal). 3.2 El problema de la inversión En el tratamiento del problema de inversión de medidas atmosféricas se plantean dos problemas fundamentales: 1) el obtener un perfil continuo a partir de una serie de medidas discretas; y 2) la no linealidad de la ecuación que liga a los parámetros a invertir y los observados (Ec. 3.5).
73 68 Inversión de las medidas de MIPAS Para simplificar la notación en el tratamiento del problema, expresamos la ecuación 3.5 como y = F(x) + ɛ, donde, y es un vector de medidas de dimensión m; x representa el parámetro que se quiere invertir, de dimensión n; F es la función que representa el problema directo; y ɛ son los errores aleatorios (o instrumentales) de la magnitud y. Linealizando el problema respecto a un estado de referencia x 0, se obtiene y F(x 0 ) = F(x) x (x x 0) + ε = K(x x 0 ) + ε, (3.22) donde K ij = F i (x)/ x j es la función peso (o jacobiano) de dimensiones m n (i=0,1,...,m y j=0,1,...,n), que representa la derivada parcial de la radiancia simulada por el modelo directo con respecto al parámetro que se está invirtiendo, x. Linealizado el problema, la inversión se trata como una transformación entre espacios lineales: el espacio de estados y el espacio de medidas. El espacio de estados es un espacio lineal de dimensión n, donde cada estado se representa como un punto o un vector definido desde el origen, x 0, al punto de coordenadas x 1, x 2,..., x n. El espacio de medidas es otro espacio lineal, donde cada una de las medidas se representan por un punto dentro de éste, y tiene dimensión m. El acto de medida se puede entender como una transformación del espacio de estados al espacio de medidas. Mientras que el problema de inversión, como intentar encontrar los vectores correctos, en el espacio de estados, correspondientes a los vectores medidos representados en el espacio de medidas (transformación inversa a la anterior). En términos generales, los m vectores filas de la matriz K formarán un subespacio en el espacio de estados que podrá tener dimensión menor o igual que m. De hecho, la dimensión exacta del subespacio que forman las matrices peso (o jacobianos) en el espacio de estados es igual al rango de la matriz K. Este subespacio, denominado rango, puede ser igual o no al espacio de estados. El rango de la matriz de jacobianos es p, de manera que si p es menor que n, existe entonces un espacio nulo, que no se puede determinar por las medidas y que pueden tomar cualquier valor. Si se consideran ahora las componentes del espacio de estados dentro del espacio rango, que son las que se pueden determinar, se pueden presentar tres casos:
74 El problema de la inversión 69 m > p, el problema está sobredeterminado, pues hay más medidas que el rango de la matriz de jacobianos, con lo que hay más de una solución para determinar las componentes medibles de x. Si m = p, posee solución única. Si m < p, entonces no existe solución para las componentes medibles, pues hay más incógnitas que ecuaciones. Las medidas representadas por K, sólo pueden proveer información en p dimensiones sobre el espacio de estados. Luego, uno de los aspectos importantes del problema de inversión es determinar la dimensión de ese denominado espacio nulo. Éste dirá de cuántas medidas se pueden hacer uso para obtener información del perfil del parámetro del que se está haciendo la inversión. Una de las formas más comunes de resolver el problema de la inversión consiste en minimizar la suma cuadrática de las diferencias entre las medidas y los datos simulados con el modelo directo. Es decir, [y F(x)] T S 1 y [y F(x)] para el caso del problema no lineal y, [y Kx] T S 1 y [y Kx] para el lineal, donde S y es la matriz de covariancia del error de la medida, y es el vector de medidas, K son las funciones peso o jacobianos y F(x) representa la simulación de las radiancias por el modelo de cálculo directo. Para el caso del problema lineal, la solución vendría dada por x = (K T S 1 y K) 1 K T y. (3.23) En el tratamiento del problema no lineal no es tan simple llegar a una solución analítica del problema. Así se plantea una ecuación iterativa en la forma x i+1 = x i + (K T i S 1 y K i) 1 K T i [y F(x i )]. (3.24) Para determinar las componentes del parámetro que se invierte pertenecientes al espacio nulo se introduce la información a priori x a, generalmente información climatológica que se conoce de antemano (constituye la mejor estimación del parámetro a invertir antes de realizar las medidas, normalmente se obtiene de un promedio de medidas
75 70 Inversión de las medidas de MIPAS anteriores). Así planteado, la solución al problema de inversión no lineal trata de minimizar las diferencias, no sólo entre la solución y las medidas, sino también entre la solución y la información a priori, osea (x x a ) T γh(x x a ) + [y F(x)] T S 1 y [y F(x)]. El factor γ pesa la importancia de las medidas frente a la información a priori y la matriz H puede tomar varios valores. Para el caso del método de la solución óptima ( optimal estimation ) (Rodgers, 2000) H viene dada por H = S 1 a (donde S a es la matriz de covariancia de la información a priori), de manera que el rango permitido de variabilidad de la solución viene limitado por dicha matriz de covariancia. En este método se supone que se tiene cierto conocimiento a priori de la magnitud que se quiere invertir. El método de la solución óptima es el que proporciona el mejor consenso entre los errores aleatorios (contribución del error instrumental) y los grados de libertad (porciones de información linealmente independientes). Otra manera de elegir la matriz H es basarse en el método de Twomey- Tikhonov de orden cero, que minimiza el cuadrado de las diferencias medias entre x y x a (en este caso H = I). Sin embargo, en muchos casos no resulta fácil obtener la información a priori y, si ésta es incorrecta, el parámetro invertido vendrá afectado por la desviación de la información a priori respecto al valor real del parámetro (pues el resultado de la inversión se escala, en ambos casos, con el valor absoluto del a priori). También se puede elegir H tal que anule la derivada del cuadrado de las diferencias medias entre x y x a, constituyendo entonces el método de Twomey-Tikhonov de orden 1. La ventaja de utilizar el método de Twomey-Tikhonov es que los resultados son independientes de la matriz covariancia de la información a priori. El principal inconveniente del método de Twomey-Tikhonov es que no se puede asignar un valor fijo a la matriz de regularización (R=γH), pues ésta viene determinada por el mejor consenso entre los grados de libertad y el error aleatorio que se obtienen en la inversión a posteriori. Así, introducido el espacio nulo y la información a priori, la solución al problema no lineal viene dada por x i+1 = x i + (K T S 1 y K + R) 1
76 El problema de la inversión 71 [K T S 1 y (y m F(x i )) R(x i x a )], (3.25) donde x i denota el valor del parámetro que se está invirtiendo en la iteración i, K es la matriz jacobiana que representa la derivada parcial de la radiancia simulada respecto al parámetro de inversión, S y es la matriz de covarianza del ruido instrumental, R es la matriz de regularización, F(x i ) es la radiancia simulada por el modelo de transporte radiativo y x a es la información a priori del parámetro a invertir (información climatológica). Al igual que se define la matriz de jacobianos (Ec. 3.22), se suele definir una matriz de ganancia, G, como la equivalente a la primera pero invirtiendo los subespacios, es decir, marca la importancia que tiene la medida y i en un determinado parámetro de inversión x i. Viene dada por la expresión G = (K T S 1 y K + R) 1 K T S 1 y = R 1 K T (KR 1 K T + S y ) 1. (3.26) Además, se introduce la matriz averaging kernel definida como A = GK, que va a caracterizar la calidad de los resultados de la inversión. Las filas de A se pueden ver como una función de suavizado del perfil resultado de la inversión. Son funciones con el máximo en los niveles de altura apropiados (aquellos que contribuyen al resultado) y cuya anchura en dicha altura representa la resolución vertical. Las columnas de A representan la respuesta de la inversión a una perturbación delta del parámetro que se está invirtiendo (en la sección 4.2 se presentan ejemplos de averaging kernel y se discuten para el caso concreto del O 3 ). Otros aspectos importantes a reseñar del proceso de inversión son: Para aquellas alturas donde el área englobada por las curvas filas o columnas del averaging kernel sea cercanas a la unidad, la información proviene de las medidas y no del a priori. Para los picos del averaging kernel que tengan una anchura uniforme y comparable con la de la propia función peso original, la información proviene de esos niveles y el proceso de inversión se comporta bien.
77 72 Inversión de las medidas de MIPAS Los residuos de los resultados se utilizan para identificar posibles fuentes de errores sistemáticos, quedando caracterizados por la magnitud χ 2, definida como χ 2 = (x x T a )R(x x a) + [y F(x)] T S 1 y [y F(x)]. (3.27) Valores cercanos a la unidad indican un buen ajuste, mientras valores de varias unidades indican posibles fuentes de errores sistemáticos. Como se ha visto a lo largo de esta sección, en el tratamiento del problema no lineal no es tan simple llegar a una solución del problema y solo se puede lograr una solución iterativa. El método de Levenberg- Marquardt (Levenberg, 1944; Marquardt, 1963) permite acelerar la convergencia en el tratamiento del problema no lineal y consiste en introducir en la ecuación 3.25 un término extra (λ), en la forma x i+1 = x i + (K T S 1 y K + R + λ i I) 1 [K T S 1 y (y m y(x i )) R(x i x a )], (3.28) donde λ es un parámetro que se modifica en cada iteración según el siguiente criterio: Si χ 2 aumenta, se aumenta λ pero no se varía x i, y se comienza una nueva iteración. El proceso se repite hasta que disminuya el χ 2. Si χ 2 disminuye, se calcula el nuevo x i y se disminuye λ para la siguiente iteración. La resolución del sistema de ecuaciones planteado para el conjunto de capas atmosféricas en el que se discretiza el problema de inversión se puede realizar de varias formas. Presentamos aquí las dos opciones más comunes (ver Rodgers, 2000 para un tratamiento más completo). (a) Ajuste global El ajuste global consiste en realizar la inversión de manera simultánea en todas y cada una de las capas atmosféricas en las que se dispone de medidas (ver figura 2.6). El inconveniente fundamental es el alto coste computacional que exige, pues se trabaja con matrices de grandes dimensiones. La ventaja fundamental es que no exige ninguna suposición en el planteamiento matricial de partida como, por ejemplo se hace en los
78 Inversión en ETL 73 tratamientos secuenciales. En el ajuste global se calculan, explícitamente, los distintos coeficientes de correlación entre los parámetros atmosféricos de las distintas capas. (b) Método secuencial u Onion Peeling Este método se suele usar para observaciones en el limbo. Consiste en realizar la inversión secuencialmente, empezamos por la capas superiores de la atmósfera hacia las inferiores. Se considera que la inversión parcial en cada capa es correcta (de manera que no se vuelve a recalcular) y se usa el resultado de la capa i para hacer la inversión en la capa inferior i 1. El método se basa en la hipótesis de considerar que la radiancia en un determinado nivel, depende únicamente del parámetro de inversión de ese nivel y de los superiores. Así, la función peso (matriz de jacobianos) queda reducida a una matriz triangular superior y el sistema se puede resolver fácilmente por sustitución, desde las capas superiores a las inferiores. El principal problema que presenta es que si en la parte alta se tiene poca señal y los errores son altos, éstos se propagan hacia los niveles inferiores introduciendo errores elevados. Tampoco resulta muy útil si la atmósfera es ópticamente gruesa (transporte no lineal) en las alturas superiores donde se toman las últimas medidas. 3.3 Inversión en ETL Basándose en los fundamentos teóricos presentados en las secciones anteriores procedemos a describir la inversión de ozono de las medidas de MIPAS. Ésta se ha dividido en dos pasos: 1) inversión entre 22<h<46 km en condiciones de ETL; y 2) inversión entre 46<h<100 km en condiciones de no-etl, con la inclusión de un modelo de no-etl. Esta división se ha realizado con dos objetivos: 1) tratar de optimizar el cálculo evitando la inclusión del modelo de no-etl (con el alto coste computacional que exige) en todas las alturas; y 2) seleccionar en todo el intervalo de alturas, entre los km, la emisión de las bandas de O 3 más apropiadas para realizar la inversión. En esta sección se describe la primera etapa, inversión en ETL, y la segunda se describe en la sección Como se puede ver en la figura 3.1 el esquema de inversión en ETL incluye tanto el modelo de cálculo de las radiancias medidas por MIPAS (modelo directo, KOPRA),
79 74 Inversión de las medidas de MIPAS como el código de inversión en sí mismo (RCP). A partir de una atmósfera de referencia (información a priori), KOPRA calcula la radiancia en los intervalos espectrales (microventanas) seleccionadas (ver 3.1) y su derivada con respecto al parámetro a invertir (jacobianos). Ambas se suministran posteriormente al código de inversión (RCP) que, mediante la ecuación 3.28, actualiza el parámetro a invertir en cada iteración hasta lograr la convergencia. Fig. 3.1 Equema utilizado en la inversión de los datos de MIPAS considerando equilibrio termodinámico local (h<46 km) Modelo de cálculo directo: KOPRA KOPRA, Karlsruhe Optimized and Precise Radiative transfer Algorithm, es un modelo de transporte radiativo implementado por el IMK (Institut für Meteorologie und Klimaforschung) en Karlsruhe, Alemania, para el procesado de los datos de MIPAS y en el que el Instituto de Astrofísica de Andalucía ha participado incluyendo los procesos de no-etl (Stiller y col., 2001). El modelo de cálculo directo es uno de los puntos claves en los procesos de inversión. Los errores introducidos por el mismo en la simulación de radiancias y sus derivadas respecto a los parámetros a invertir se propagan a los perfiles invertidos. Por ello es fundamental que el modelo directo sea lo más exacto posible. A su vez, la gran cantidad
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