Investigación y programa de medidas del ozono troposférico en el observatorio de vigilancia atmosférica de Izaña (INM)

Investigacióny programademedidasdelozonotroposféricoen el observatoriodevigilancia atmosféricadeIzaña (INM)

Emilio CUEVAS, JuanManuel SANCHO y Alberto REDONDAS

Instituto NacionaldeMeteorología(INM)

1. INTRODUCCIÓN

El ozonoqueseencuentrasituadoen la troposferaesdenominadoozonotroposférico,mientrasque el término de ozono superficialhacereferenciaalozonoquese mide en las proximidadesdel suelo.Esteúltimo es el quemejorestáestudiadoen la actualidad,tanto por el númerodeestacionesexistentesen el mundocomo por la apreciablecantidadde medidasde diferentesvaria-bles y componentesrelacionadoscon él que se midenhoy día,y quepermi-ten disponer de una excelente documentación de los procesosdecreación/destrucciónde estecomponente.Lasvariablesmeteorológicas(tem-peratura,la humedad,la presión,la direccióny la velocidaddel viento) sonesencialesparaentenderlas variacionesdel ozonosuperficial,asi como todasaquellasquenosproporcioneninformaciónsobrelascaracterísticasdel terre-no circundante(tipo, rugosidad,topografía,etc.).

Los componentes que están íntimamente ligados a la posiblecreación/destrucciónde ozono sonlos óxidosde nitrógeno(NO, NO2, PAN,NON, NO~ etc.), los hidrocarburosno metánicos(HNMC como pentano,etano,butano,etc.) y el monóxido de carbono.También cabe destacarlaaccióndecisivade la radiaciónsolaren el rangovisible, permitiendolas dife-rentesfotodisociacionesdel ozonoy delos componentesrelacionadoscon él.Todaestainformaciónpermiteconocerde unamaneramáso menosdetalla-da las diferentesfuentesy sumiderosdel ozonomedidoenun lugar.

El ozono superficial ocupahoy día un papel muy destacadoen los pro-gramasde vigilancia atmosféricaen el mundo, por dos razones:en primer

Físicade la Tierra, Núm. 9, 67-106.Serviciode PublicacionesU.C.M. Madrid, 1996

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lugar porqueel ozonoes un potentereguladorde la capacidadoxidantede latroposfera(Logan, 1985; Thompson,1992), pudiendollegar a causargravesdañosen la vegetación(Horvdth, /985; Guderian et al., /985) e importantesproblemasen la salud pública,como,por ejemplo,sucedióen los episodiosde “smog” fotoquímico de Los Angeles(USA) (Tiao es al., 1975), o comoestáocurriendoactualmenteen la ciudadde México D.F. En segundolugar,porqueen los últimos añosse ha demostradoquejuegaun papelmuy impor-tante comogasde efectoinvernaderodebidoa su fuerteabsorciónen el infra-rrojo,provocandoun forzamientoradiativo muy importante<Mitúhel, /989;Mohaen et al., 1993).

Sin embargo,el ozono a nivel de superficieno pareceserel más intere-santede medir salvo parael análisisde episodiosde contaminación.En efec-to, si nos atenemosa sucarácterde gasde efectoinvernadero,un incrementoen ozono superficial probablementetendrá una incidencia mínima sobredicho efecto,mientrasqueun íncrementode un 25% del ozonotroposférico(el integradodesdela superficiede la Tierrahastala tropopausa)añadiría0.2Wm-2 al calentamientopor efecto invernadero.Porotro lado, y bajo el puntode vista fotoquímico,muchosde los procesosde producciónde ozonoestánteniendo lugar en la troposferalibre (Mohnen et al., 1993),y cadavezconmayor intensidad,debidoa quela altay media troposferaestántambiénsien-do contaminadascon precursoresdeozonocomo los NON. Los procesosfoto-químicosque tienen lugarjunto al sueloestáninfluenciados,en numerosasocasiones,por focos de contaminaciónque seencuentrandemasiadopróxi-mos,por lo que los resultadosobtenidosa nivel de superficieno puedenserextrapoladosa regionesremotas.Las tendenciasde ozonosuperficial no tie-nenpor qué serlas mismasquelas quese registrenen la troposferalibre nitampocolos procesosfotoquímicosque controlanla produccióny la destruc-clón del ozono.

En cambio,el ozono superficial es crucial para entenderla distribuciónmundialy losfenómenosfotoquímicosy de transportequetienenlugaren laatmósfera.Estaaparentecontradicciónseexplicarápidamentesi tenemosencuentaqueexistenclarasy grandeslimitacionesde tipo económicoy tambiéntécnicoparapoderdisponerde una red mundialminimamentedensade per-files verticalesde ozono.Por lo tanto,unaredde ozono superficialsuficien-tementedensay razonablementedistribuidaen todo el planetaproporcionauna informaciónlimitada, perotremendamenteútil, para poderobteneresti-macionessobrela contribucióndel ozonocomo foto-oxidantey como gas deefecto invernadero,y su evolución a lo largo de los años.

El ozonoes un gascon unavida media relativamentecorta y quepresentaunagranvariabilidadtantoensu distribucióntemporalcomo espacial,y estápre-

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senteen múltiplesy complicadasreaccionesen lasque se producentanto crea-ción comodestruccióndel mismo.Todasestascircunstanciashacenqueresulterealmentedifícil realizarestimacionesglobalessobretendenciaspromedio.

Los perfilesverticalesde ozono,ademásdeserde granutilidaden el estu-dio dela evoluciónde la capade ozono,sonutilizadoscadavezcon másfre-cuenciaparaconocerla distribuciónespacialy temporaldel ozono en la tro-posferalibre (Oltmansel al., /989),paramostrarepisodiosde produccióndeozono por procesosfotoquímicosen la troposferalibre (Seiler y Fishman,/981), o para detectarprocesosde transportede aire contaminadodesdelacapade mezciaa la troposferalibre (Kirchlwff el al., 1983, Kirc-hhoffel al.,1988; Marencoet al., 1990).

Existenmuy pocasestacionesen el mundo,alrededorde 20, querealicenperfilesverticalesde ozono(3-4 al mes)de unamanerasistemáticay durantelargos periodosde tiempo (varios años).La explicaciónes muy simple: losprogramasde ozonosondeossonextremadamentecostososy requierende unagran infraestructuray de personaltécnicoespecialmenteentrenadoparalle-varlos acabo.

En estetrabajomostraremoslos resultadosmásimportantessobreozonosuperficial y troposféricoobtenidosen el ObservatorioVAM de Izaña.

2. EL OBSERVATORIO DE IZAÑA

El Observatoriode halla se encuentrasituadoen la isla dc Tenerifea28017.9’N , 16”29.4’W y 2367 m sobreel nivel del mar (s.n.m.),y junto conotros once observatorios,conforman actualmente la Red de VigilanciaAtmosférica Mundial (VAM, GAW —Global Atmospheric Watch—, eninglés),encargadade medir las posiblesvariacionesde las característicasfisi-co-químicasde la atmósferay tratar de explicarlas.

El Observatorioseencuentraen el monte de Izaña, situadoen la erestadorsal que atraviesala isla (figura 1), completamenteabiertaa la influenciadelos vientosdominantesdel NW procedentesdel Atlántico Norte, siendoladistanciaal continenteeuropeode 1300kmy al africanode 350 km.

El sueloen el entornode la estaciónes de tipo volcánicoy la vegetaciónesescasay de montebajo (matorral),consistenteexclusivamenteen retamaypajonera.Entre las cotasde 1000 y 2000 metros,y alrededorde toda la isla,existe un cinturón de vegetaciónimportante,donde creceprincipalmenteelPino Canario.La isla se encuentraprácticamentedeshabitadaa partir de los1000 metrosde altura,concentrándosela poblaciónde la isla, principalmen-te, cerca de la costa.Las industriasmás importantesson una refineríade

70 Emilio Cuevas,Juan ManuelSanchoy Alberto Redondas

petróleoy unacentraltérmicade generacióneléctrica,encontrándoseambasal nivel del mar, al NE y al E de la estación,respectivamente.Porestacausa,la influenciade lasactividadesindustrialeslocalessepuedeconsiderarqueesdespreciableo nula,en relación con las medidasde los diferentescomponen-tes atmosféricosquese llevan a caboen la estacton.

El programaactual de medidasde la estaciónVAM de Izañaes muyamplio, y estacircunstanciafacilita la investigaciónque se desarrollaen lamismasobreozonotroposférico.Es bien sabidoqueexistenmultitud de com-ponentesatmosféricosque guardanuna relación directa o indirectacon elozono, proporcionandoinformación adicional sobre el posible origen delmismo,los mecanismosde su transportey su distribuciónespacialy tempo-ral. En la actualidaden el ObservatorioVAM deIzañasemide, de formacon-tinua dióxido de carbono(desde 1984),metano(desde1984), monóxido decarbono(desde1993),radiaciónglobal (desde1990),ozonototal en columna(desde 1991),radiaciónultravioletaespectral(desde1991), dióxido de nitró-genototal en columna(desde1991)espesoróptico de aerosoles(desde1994),núcleosde condensación(desde1996).

Figura 1. Mapa de la isla de Tenerife donde sc indica la situación del Observatorio de Izaflay de la estaciónde SantaCruzde Tenerife.

3. Investigaciónyprograma demedidasdel ozonotraposféricoen... 71

En relación al ozonotroposférico,la seriede medidasdeozono superfi-cial arrancaen 1984,perolas medidasno puedenconsiderarseabsolutamen-te fiableshasta1987,cuandoes instaladoun analizadorde absorciónenultra-violeta con correcciónautomáticapor presióny temperatura.

La seriede perfilesverticalesdeOzono(desdeel nivel del marhastaunos30-35km. de altura) en Tenerifecomienzaen Noviembrede 1992 y ha con-tinuadosin interrupciónhastala actualidadcon unafrecuenciasemanal.Esteprogramade ozonosondeosforma partedel programade medidasde la esta-

ción VAM de Izaña. La estaciónde radiosondeosse encuentraen el CentroMeteorológico Territorial de CanariasOccidental (36 m. s.n.m.)en SantaCruz de Tenerife. En ciertasocasionesy con motivo de campañasintensivasde observaciónen las queinteresabaestudiarprocesosde transporteo des-trucciónlocal de Ozonosehanrealizadoozonosondeosdiariosdurantepeno-dos de uno o dos meses.Estas campañasnos permiten obtenerun conocI-miento muy detalladode la evolución temporalde la distribuciónvertical deOzono en un amplio periodo de tiempo. El hecho de disponer en cadamomentode informaciónacercade la cantidadtotal de Ozonoen columna,medida por el espectrofotómetroBrewer instaladoen Izaña(ver el trabajo

Figura 2. Fotografíadel ObservatoriodeVigilancia Atmosféricade Izaña(Tenerife).

72 Emilio Cuevas,JuanManuelSanchoyAlberto Redondas

titulado “Investigacióny Programade Medidasdel OzonoEstratosféricoy laRadiaciónUltravioletaenel Observatoriode VigilanciaAtmosféricade Izaña—INN4——” en estamismapublicación),proporcionaun métodoindependien-te paradeterminarla fiabilidad de los sondeosde Ozono.

3. INSTRUMENTACION UTILIZADA

3.1. Ozonosuperficial

La técnicade medidade ozono superficial que se utiliza actualmenteenlas estacionesde tierra querequierenun alto nivel de precisióny exactitud,ybuenascalibraciones,es la basadaen la técnicade absorciónultravioleta. Estatécnicaes la elegidapor las estacionesVAM, y la únicarecomendadapor elCentrode Control de CalidadparaestacionesVAM (GAW, Quality Assuran-ce/QualityControl ScienceActivity Center)de la OMM.

La técnicade absorciónen ultravioletase basa,como indica su nombre,en la absorciónque la moléculade ozono realizaen unadeterminadalongi-tud deonda del rangoultravioleta.Por tanto el fundamentofísico se basaenla ley de Lambert-Beerquerelacionala concentraciónde ozonocon la inten-sidadde radiaciónmedida:

Donde:

1 = Intensidadde la radiaciónen ausenciadeozonoen la célulade absor-ción emitidapor unalámparacuasi-monocromáticade 253.7nni.

= Intensidadde la radiacióndespuésde atravesarla céluladeabsorción.a = Coeficientede absorcióndel ozono(308 cm’ atm’ (STP),para253.7

nm).L = Longitud del camino óptico en cm.C = Concentraciónde la muestraen ppmv. queesnuestraincógnita.

Resolviendola anteriorecuación,y realizandolas correccionesde presióny temperatura,obtenemos:

106 P0 T In— (2)

lPT0ct 1

3. Investigaciónyprogramade medidasdel ozonotroposférico en... 73

Donde:

P0=Presiónestándar(1 atm).P = Presiónde la muestrade gasen la céluladeabsorción(algo inferior a

la presióndel laboratoriodebidoa la aspiraciónde la bomba).= Temperaturaestándar(273 Rl).

T = Temperaturadel gas demuestraen la célulade absorción(K). Gene-ralmente,unos 10-12 1< superiora la temperaturadel laboratorioporcalentamientodel instrumento.

El fotómetrode Uy estáconstituidopor tressubsistemas:óptico,neumá-tico y electrónico.En la figura 2 se muestraun esquemade un analizadordeabsorciónUV del tipo Dasibi.

El sistemaóptico consistebásicamenteen:

— Unalámparade vapordemercuriode bajapresióny cátodofrío quegenerauna radiación UV centradaen un 92% alrededorde 253.7nm.

— Dos detectores(Dl y D2) queconsistenen un fotodiodode vacíodeCesio-Telurocon una respuestaespectral(99.5%)en la longitud deondade la radiaciónemitida por la lámparadc mercurio.

— Una (Dasibi) o dos (Teco) célulasde absorcióndondees introducidala muestra.

La parteneumáticaconsisteen:— Una bombaquehaceaspirarel aireambienteen el interior del equipo

a un flujo constante.— Una válvula solenoide de teflón controlada electrónicamenteque

medianteconmutacionesperiódicashace pasarel aire muestreado,bien directamentea la célula de absorción,o bien a un filtro destruc-tor de ozonoantesde serenviada a la célula de absorción.El filtrodestructorde ozono,conocidocomo“scrubber”,es un conversorcata-lítico de dióxido demanganeso(MnO2)quedestruyeel ozonoconvir-tiéndoloen oxigenodiatómico.

El subsistemaelectrónicoconsisteen:— Dos electrómetros(El y E2) conversoresde energía eléctrica en

impulsos (frecuencia).— Dos contadores(Cl y C2) que cuentanel númerode impulsospro-

porcionadospor los electrómetros,que sonproporcionalesa la inten-sidadde la radiación.

— Un barotransmisory un termómetrocon suscorrespondientestarjetaselectrónicasparacorregir los datosde ozonopor presióny temperatu-ra (solamenteenlos modelosDasibi 1008 y en el Teco-49).


— Una tarjetaelectrónicaque efectúatodos los cálculos,proporcIonan-do la concentraciónde ozono en ppmv en un pequenovisor del equi-po y medianteunasalidaanalógicade tensión.

Hay queresaltarel hechode quedadala naturalezadel ozono,quesedes-truye casi inmediatamentecon cualquier superficie,todasaquellaspartesdelsístemacomo tubos, electroválvulas.etc.,queesténen contactocon el airequesepretendemedir, debenestarfabricadosde teflón o mylar (poliestaratodeetilenglicol),ya queambosmaterialessoninertesal ozono(Aldaz, /969).

Detectordecontrot

Elertj- ometro 1 Contador 1Dl El ci.

— -* —a VE DetectorNTflNfl DE VENT~Nfl DL demuestra-t

~BSORCTOÑ bomba ¡ Electrometro 2

LflMPnRO

ULTNnV!OLETO VnLVULR

2ENTRflD4 CNTRñDflDE DE~UESTRfl HuESTRnFigura3. Esquemadeun analizador(le absorción(le 0V lipo Dasibi.El límite de detecciónde estosinstrumentosesde 1 ppbv aunqueen nues-tro casoestelímite no es en absolutocrítico puesel rangonormal de medidases de 30-60ppbv. La precisiónes de un 2.5%,por lo quepara la concentra-ción mediade Izaña(unas45 ppbv),representaaproximadamente1 ppbv. Elerror instrumentales de ±1ppbv,por lo quela exactitudquesepuedeconse-guir al final del procesoteniendoen cuentael error instrumentaly de adqui-sicíón,y loserrorescometidosen las calibracionesy correccionespor cerosy“offset”, es de un 5%, esdecir, de aproximadamente2 ppbv (en el rangode45 ppbv).

3. Investigaciónyprograma demedidasdelozonotroposférico en... 75

El sistemade adquisiciónsebasaenunatarjetaanalógica/digital(A/D) de12 bits, 16 canalesque muestreacada1 milisegundo,instaladaenun ordena-

dor tipo PC.En la actualidadsegrabaen un fichero diario (paracadaanali-zadorde ozono)un valor medio cada10 minutosjunto con la correspondien-te desviaciónestándar.La tarjetacontroladorade relays activa y desactivadiariamenteunaelectroválvula,a unas horasprogramadas,permitiendodeestemodoqueel airecirculeduranteun intervalode tiempodeterminado(10minutos) por un filtro de carbón activado (que destruyepor completo el

ozono)antesde seranalizado,obteniendode estamaneraun “cero” diario decadaanalizador,esencialparacorregir los datosde posiblesderivasinstru-mentales.

En las calibracionesy chequeosde los equiposse controla, además,elcorrectofuncionamientode los sensoresde presión y temperatura,básicosparala reducciónde losdatosde ozono.

En el Observatoriode Izañaoperanen la actualidaddos instrumentosenparalelo:un Dasibi-l008-RS y un TECO-49C,ambos con correcciónauto-mática de presión y temperatura.Existe ademásun calibradorTECO-49C“Primary Standard”que se utiliza exclusivamentepara realizarcalibracionesabsolutasde los dos analizadoresy que fue calibrado frente al instrumentoSRP(“StandardReferencePhotometer”N012) NIST (National Institute forStandardsandTechnology- Gaithersburg-Maryland,USA, antiguoNES) en1996. En la figura 4 se muestrael esquemade funcionamientodel calibradorTECO-49C-PS,queposeedosceldasde absorción.

El airesin Ozononecesarioparaalimentarel calibradores suministradopor unafuenteexternade aireceroconsistenteen unabombaexterna,un car-tuchode gel de Sflice, un filtro de Purafil (Permanganatode Potasio),un filtro

Ozono

Alio Cero

Salida

Figura4. EsquemadefuncionamientodelcatibradordeozonoTECO-49C-PS.


de Carbonoactivo y un filtro de partículas.Esteaire seco,limpio y sin ozonoes dividido en dosflujos independientesdentrodel equipocalibrador.Uno deellos fluye a travésde un reguladorde presiónconectadoa su salidaa la elec-troválvulade referenciadel sistemade medidadel calibradorEl otro, despuésde pasarasimismopor un reguladorde presiónes conducidoal ozonizadoryposteriormentea la toma principal de airey a la electroválvulade muestradelcalibrador.El airequellegaa la tomaprincipalconunacantidadde Ozonopre-víamentefijadapor el operadores distribuidaal restode los equiposa compa-rar. Las electroválvulasalternan los flujos de airede muestray de referenciaentrelas celdasA y B cada10 segundos.Cuandola celdaA contieneaire dereferencia,la celdaB contieneairede muestray viceversa.Las intensidadesdeluz Ultravioletade cadaceldason medidaspor los detectoresA y B. Cuandolas electroválvulascambiansumodode operación,las intensidadesde luz UVson ignoradasdurantevarios segundosparapermitir que las celdasestabilicensu concentraciónde Ozono. El calibradorcalcula la concentraciónde Ozonopara cadacelda y proporcionael valor de concentraciónmedio entre ambasmedidas.

En la siguiente tablasesístemade calibración.

resumenlas característicasmás importantesdel

Calibradordereferencia:

Analizadorcomparado:

Fuentede Ozono:Suministrode airecero:

Sistemade adquisiciónde datos:

Rangode concentraciones:

Númerode nivelesde concentración:

Nivelesaproximadosdeconcentración:

Secuenciade niveles:Intervalo temporaldepromediopor nivel:

Númerode comparaciones:

IZO: Estandarde TransferenciaTEL 49C-PS#56085-306

TEl 49C #55912-305y Dasibi-1008-RSIZO: Generadorinterno del calibradorTEl 49C-PS

IZO: Bombaexterna- Gel de Sflice - Purafil.(Permanganatode Potasio)- Filtro de Carbono

activo - Filtro de partículas(5pm)

Tarjetade 12 bits; 16 Canales;Vel. dcadquisición:lms

O - 100 ppbv

5 ±aire cero al principio y al final.

10/30/45/60/90 ppbv

Aleatoria.lO minutos.

Conexionesentreinstrumentos: Aprox. 1.5 m. detubo de tefión.

3. Investigaciónyprograma demedidasdelozonotroposféricoen... 77

Las calibraciones“multipunto” se realizangenerandodiferentescantida-desde ozono,medianteel generadordealtaprecisiónqueposeeel calibrador,quesonmedidasde formasimultáneapor los analizadoresy por el calibrador.Deestemodosecalculanlas rectasde regresiónde los equiposanalizadores.Un ejemplode las últimascalibracionesrealizadasal analizadorTECO-49Csemuestraen la figura 5.

n

a

o

o

LO

o

oouJw

2

10

5 2

4

-10o

u • u

. 1 • ¡ • ¡ ~~~1

20 40 60TEl 49C-PS (Calibrador IZO> [pphl

1~~80

10

—5

—0

—.5

10

100

Figura 5. Rectadecalibracióndel analizadorTECO-49Cfrenteal calibrador TECO-49C-PSconlos intervalosde confianzaestablecidospor ta OMM y porel Centrode ControtdeCali-daddeMedidasdeOzonoSuperficial paraEuropay Africa (EMPA, Suiza).

3.2. Medidasde ozonotroposférico(perfilesverticalesde ozono)

Paraconocerla concentraciónde ozono a diferentesalturasen la tropos-fera se utilizan sondasde ozonoqueconsistenbásicamenteen un sensordeozono,unabombaqueintroducecontinuamenteairedentrode éste,unainter-facey unaradiosonda.

La sondade ozonoutilizadaen Izañaes la ECC-6A,comercializadaporla casa“SciencePump Corporation”. Estasondaes introducidaen unacajasólidade poliestirenode dimensiones19x19x26cm. La bateríaquese utiliza


paraalimentarel motorde la bombaes de las denominadas“húmedas’,acil-vándosecuandose sumergeen aguadurante210 minutos,siendocolocada,entonces,dentrode la caja de poliestirenoen un compartimientoseparado,enla basede la misma.Estabateríaproporciona12 V DC.

La“interface” es la tarjetaelectrónicaencargadadetransferirlosdatosdeintensidadde corrientey de temperaturadel sensorparael cálculode la den-sidad de ozono,enviandoestainformacióna travésde la radiosondacon laqueestáconectada,a tierra vía radio.

Sistema de Qzonosondeo

Globo (goma ~taia ,nJ)

PC~M ó compadble

Figura 6. Esquema correspondiente a un equipo de ozonosondeos.

3. Investigaciónyprograma de medidasdel ozonotropos/hicoen... 79

La radiosondautilizadaes de la casaVáisála,modeloRS-80,con algunasmodificacionesen las conexionesa la interfacey a la antena.La radiosondadisponede su propiabatería,también“húmeda”,perosensiblementemayorala del motorde la bomba.El radiosondalleva incorporadosunossensoresdetemperatura,humedady presióncon las siguientescaracterísticas:

Presión:Barómetroaneroidecapacitivode rangode medidade 1060 a 3hPa,con resoluciónde 0.1 hPay unadesviaciónestándarde +/- 0.5 hPa.

Temperatura:Termistorcon rangode medidade +60 a -90 0C conresolu-ción de 0.1 0C y desviaciónestándarde +/- 0.20C, siendola correcciónpor laradiaciónsolar menora 1’ C a 10 hPay con un ángulo cenitalde 600.

Humedad:Capacitorde películafina, denominadoHUMICAP, quemidela humedadrelativaen la escalade O a 100 %, con unaresolucióndel 1%,ycon unaprecisiónde +/- 2%. -

La radiosondase conectaa la “interface” y sesujetaa la caja de poliesti-reno.Todo estesistemava “colgado”,medianteun cordelmuyfuerte (300-500N), de un globo de cauchosintético(cloropreno)de 1200 gr quese llenaconhelio, con el fin de queseelevecon unavelocidadaproximadade 5 m s’ . Alglobo vaenganchadoun pequeñoparacaídasqueamortiguala caídadel siste-ma unavezqueel globorevienta.

En tierra se necesitanotros equiposparapoderrecibir y procesarla seña-les enviadaspor la sondade ozono.El equiporeceptorutilizado en la actua-lidad esun DigiCoraMarwin-15de la casaVilisála,aunquedesdequecomen-zó el programade ozonosondeosse han utilizado un receptorMicroCora, yun DigiCoraMW 12 portátil.

Este equipo de recepción,tal y como se muestraen la figura 5.3., estáconectadoa unaantenamultipolardeUHF detelemetríaqueseutiliza parareci-bir losdatosenviadospor la radiosonda,y a unaantenade señalVLF Loran-C,con la querecibenlas señalesde las estacionesOmega,utilizadasparael cál-culo de la posiciónde la sonday de la dirección y la velocidaddel viento. Elequipo de recepciónDigiCora estáconectadotambiéna un ordenadortipo PCvía RS-232en el quese encuentrainstaladoun programade adquisición deradiosondeos,bajo Windows, y que realiza ademásel filtrado de datos,lasdepuracionespreliminaresy laspresentacionesgráficascon datosbrutos.

En la estaciónderadiosondeosse utiliza otro equipoauxiliarqueesnece-sario paraprobarla ozonosonday los sensoresmeteorológicosantesdel lan-zamiento.Comopartede esteequipocabedestacar:

La “unidad ozonizadoray de comprobaciónTSC-1,, quees utilizadaparacomprobarla corrientede fondo de la sonday parael acondicionamientode los sensoresde ozono.Básicamente,la unidadozonizadoraconstadeunafrente degeneraciónde ozono,un sensorde ozonoECC “calibrador”


y variosamperímetrosparamedir las corrientesdesalidade los sensoresdeozono,tantodel “calibrador”,como del queva a realizarel ozonosondeo.

• Un fluxómetro parael cálculodel flujo de airequeaspirala bombadela sonda.

• Un polímetrode alta precisiónpara medir la corrientede fondo de lasondaECC.

La ozonosondaECC (ElectrochemicalConcentrationCelí) consisteendos cámarasde resmade teflón (material queno reaccionacon el Ozono)enlas que se introduce unasoluciónde yoduro potasico(1K) en distintascon-centraciones.Las dos cámarasestánunidas por un puentede ionesy en cadauna de ellas se halla sumergidoun electrodode platino. Duranteel ascensodel globo sondaunapequeñabombamovida por un motoralimentadopor unabatería introduceaire ambienteen el interior de la cámaracon menor con-centraciónde solución de 1K. Tan pronto como el aire con contenido enOzonoentraen estacámarase producela siguientereacciónquímica:

(1) 2K1 + 03 + H,O ==> 21(011 -4-1, + O,

Como consecuenciade estareaceción.la concentraciónde 1. aumentaycomienzaa tenerlugarla siguientereacciónOxidación-Reducción.

En la cámaradel cátodose producela oxidaciónde los ionesU:

31 ==> 13 + 2e

Y en la del ánodola reduccióndel Yodo:

12 + 2e ==> 21

Como resultadode estacadenade reaccionesse observaque por cadamoléculade Ozonoen el aire se produceun transportede dos electronesdelcátodoal ánodo.

La reacciónnetade oxidación-reducciónes la siguiente:

3L±1, ==> 13 + 21

Por tanto,la constantede equilibrio paraestareacciónes:

(a,) t(a) 2

(a)1, t(a)

3


Dondea1, a2, a3 y a4 son las actividadesde losdistintosproductosy reac-tivos en ambascámaras.Estasactividadessonaproximadamenteigualesa laconcentración.

En el equilibrio K=l, peroen el momentoen que moléculasde Ozonocomíenzana reaccionarcon el yoduropotásicosegúnla reacción(1), el equi-librio se rompedebidoa la formaciónde 12 y apareceuna fuerzaelectromo-triz Equeprovocaunacorrienteeléctricaentreel cátodoy el ánodo.Estadife-renciade potencialsepuedededucira partir de la equacióndeNernst:

E 0.02955* log (a,),3 * (a3),

]

(a4),2 “‘ (a2),3

La medida de la intensidadde corrienteen microamperiosnos permiteconocerla cantidadde moléculascontenidasen el aire.

En el cálculode la concentraciónde Ozonoen el airea partirde la medi-da de la intensidadcorriente hay que tener en cuentaque otros oxidantes

como el Oxigenotambiendanlugara unapequeñacorriente,la cual debeserrestadade la producidapor el Ozono.Estose tiene en cuentadurantela pre-paracióndel Ozonosondeohaciendopasaraire sin Ozono (previamentedes-truido medianteun filtro de carbonoactivo) travésde la sonday midiendolacorrientede fondo obtenida(menorque 1 i.tA). El programade adquisicióntieneen cuentaestacorrientey estimasu variaciónen funciónde la presiónamedidaqueel globoasciende.Así mismo,el programatambientieneencuen-ta la disminucióndel flujo de aire queentraen el cátododel sensordebidoalmenorrendimientode la bombaa medidala presióndisminuye.Porúltimo,otro parámetroimportantequesedebecontrolares la temperaturaa la queseproducela reacciónyaquela velocidadde estadependefuertementede dichatemperatura.Paraello la sondadisponedeun sensorde temperaturapróximoal sensordeteflón y el programadeadquisiciónrealizalas correccionesopor-tunasen basea estasmedidas.

Finalmentela presiónparcial de OzonoenmPavienedadapor la siguien-te expresión:

P3~4.3O7*l0tI~IBG)*Tb*t*CÍ * C1 *C

donde:

P3 = Presiónparcial de Ozonoen mPa.= Intensidadde corrientemedidaen A.

82 Emilio Cuevas,Juan ManuelSanchoyAlberto Redondas

= Corrientedebidaa otros oxidantes(principalmenteO,) en A.Tb = Temperaturamedidadel sensorde Ozonoen K.

= Tiempo de bombeode lOOml de aireen s.Cer= Correccióndebidaa la pérdidade eficaciade la bombaal reducirse

la presión.Valorestabulados.C’.Cf = Si se utiliza simultáneamenteotro métodode medidaparael cálcu-

lo del Ozono total (p. ej. espectrofotómetroBrewer), se puedencorregir los valoresde presiónparcial para ajustarla cantidaddeOzonointegradamedianteel Ozonosondeoa la cantidadrealmentemedida.Si noCf=l.

C = Otrascorreccionesdebidasa intercomparacionesentrebombaso sen-sores.

4. ANÁLISIS DE DATOS

4.1. La Serie de ozono Superficial

Los datosbrutossondepuradosde posiblesfallos instrumentalesy deposi-ble contaminaciónlocal debidaa manipulaciones,reparaciones,etc. delos ins-trumentos,medianteun softwarede depuraciónque elimina los datossegúnunaseriede criteriosestablecidosen el Observatorio.Estoscriteriosson:

1. Que la desviaciónestándar,asociadaal valormedio, no sobrepaseunvalor determinado.

2. Que los valoresmediosesténen un rangode medidaconsideradonor-mal.

3. Que loscerosinstrumentalescorrespondientesal periodoquese anaL-zaseancorrectos.

4. Aquellos criteriossubjetivosquese adoptenen basea la informaciónproporcionadapor los observadores,que permita sospecharque losdatos puedanestarafectadospor funcionamientodefectuosodel ins-trumentoo por contaminaciónde tipo local. Con estainformación losdatos dudososson rechazadosen el procesode depuración,aunquesiempreseconservanlos datosoriginalespor si posteriormentese creenecesarioun reanálisisdelos mismoscon nuevoscriterios.

Posteriormente,los datossonevaluadoscorrigiéndolosdel “cero” instru-mentaldiario. El ceroqueseaplica a cadadatoes el interpoladode un ajustelineal entredoscerosconsecutivosquesehayanrealizadoantesy despuésdecadamedida.Los cerossuelensermuy estables,no observándosepor lo gene-ral variacionesmayoresde 1.5 ppbv en todo un mes.

3. Investigaciónyprograma demedidasdel ozonotroposféricoen... 83

Finalmente,y si es necesario(si se observarauna deriva instrumentalimportante),soncorregidospor las calibracionesrealizadasrespectoal están-dar interno.

Una vez que se tienen los datosdepuradosy evaluadosse calculan losvaloresmedioshorarios,el promediototal (00-24horas),el promedionoctur-no (00-08 horasTMG y 20-24horasTMG del día anterior) el promediodiur-no (08-20horasTMG). Todosestosvalorespromediosse grabanen ficheroshistóricosconjuntamentecon la desviaciónestándarcorrespondiente(sigma-1). Asimismo seha calculadoel valor promediode las desviacionesestándarasociadasa los valorespromedios,denominandoa estacantidad(sigma-2).Tambiénsedeterminany grabanen losmismos ficheroslos valoresmáximosy mínimosdiarioscon suscorrespondienteshorasde ocurrenciaparalos tresperiodosanteriores.

Uno de los problemasmás importantesen unaestaciónbasecomo la deIzaña, y que ocupaun elevadoporcentajedel tiempode trabajo,es el de lascalibraciones,chequeos,el mantenimientode la instrumentacióny el de unsistemade control de calidadquepermitaconseguiruna basede datos con-sistentecon patronesde referenciainternacional.Estapreocupaciónseexpli-ca si tenemosen cuentael ritmo de crecimientodel ozono troposféricoqueactualmenteseestáregistrandoen numerosasestaciones.Estecrecimientoseencuentraen el rangode0.6% - 2% anualparalas estacionesalemanas(alta-menteperturbadaspor la crecientecontaminaciónde] continente)de 1-lohen-

peissenberg,Wank y Zugspitze(Kley et al., 1993) o de casiun 0.8% anualpara las estacionesde vigilancia atmosféricaamericanasde Mauna-Loa(Hawai) y Barrow (Alaska) (Oltmans,et al., 1989), querepresentaunas0.3ppbv/año(3 ppbv en unadécada).Si tenemosen cuentaquela exactituddenuestrasmedidasestáafectadapor un error de un 5% (2 ppbv), tal y comovimos anteriormente,estosignificaquesenecesitaríanal menosdiezañosdemedidascuidadosasy perfectamentecalibradasparaconfirmar dichatenden-cia del ozonotroposféricosuperficial.

Si definimos el “porcentaje de datos buenos”proporcionadospor unaestacióncomo:

¡ N.0 dedatoshorariosválidos¡ x 100

k N~ de horasde medida

parala estaciónde Izañaestevalor essuperiora un 93%,cuandoel objetivoquemarcanlos centrosdecontrol decalidadparalasestacionesbasedevigi-lancia atmosféricaesdeun 90%.


La figura 7 muestrala seriehistóricade valoresmediosdiariosde ozonosuperficial medidosen el Observatoriode Izafia duranteel periodo nocturno(20-08TMG), quees en el que se consiguenlas condicionesde fondo repre-sentativasde la troposferalibre. Comosepuedeapreciarsi consideramoslosregistrosde 1997 apareceuna tendenciapositiva de alrededorde un 0.8%anual.Sin embargo,en los dos añosanterioreslos valoresde ozonosuperfi-cíal duranteel máximoanualfueron másbajosdelosnormal,resultandohastala fechaunatendenciasin significadoestadístico,ya queéstaera de un -0.4%anual (aproximadamente-0.17 ppbv por año. EstosresultadomuestranlaImportanciaque tiene la observacióncontinuay cuidadosade estecompo-nente.Son necesariosnumerososaños (décadas)para poderestimar clara-mente una tendenciaen el ozono superficial. En la región subtropical,almenos,no esposiblehastala fechaaseverarquese registraun aumentoen lasconcentracionesde ozonosuperficial.

70

60-

.00.0

.

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40-

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Ajuste lineal¡ . u ¡

89 90 91 92

Y=0.3&4644*X+11.6037Valor medio:44 ppbvIncrementodeun 0.8%anual

Año93 94 95 96 97

Figura 7. Serie históricadeozonosuperficial.

En la figura 8 se muestrael “perfil anual” de ozono superficial (mediasmensuales)en Izaña, Mauna-Loa(Hawai) (Oltmans & Levy, 1994), flavos(Suiza)y Hohenpissenberg(Alemania).El máximoanualesbastanteamplio,abarcandoel periodo que comprendelos mesesde Mayo y Junio, mesesen

Media móvil de 15 días

2087 88 98

3. investigacióny ¡nograma demedidasdelazemotraposféricoen... 85

los quesonfrecuentesconcentracionesde ozonosuperficialenel rangode50- 70 ppbv. El mínimo anuallo encontramosen el mes de Octubrecon valoresquepuedenllegarhastalas 20 ppbv.Unavezajustadala seriehistórica,mere-ce serdestacadoel hechode que en invierno los residuossonmuchomeno-resqueen la partecentraldel año,y estosedebea queduranteel veranoseobservaunagran dispersiónde datos,con valoresmediosdiarios similares alos que se producenduranteel mínimo anual, y tambiénvaloresmuy altos,superioresa las 60 ppbv,similaresa los registradosduranteel máximoanualen Mayo-Junio.Estecomportamientoestárelacionadocon procesosdinámi-

cos quese explicarándetenidamentemás adelante.Durantelos mesesde inviernoy otoñolos valoresde ozonosuperficialde

Izañason muy similares a los registradosen Mauna-Loa,resultadopor otrolado esperado,por cuantoambasestacionesseencuentranen alturay en lati-tudessimilares.Sin embargo,llama la atenciónque el máximo en Izañaseregistraentre1 ~ 2 mesesmástardequeen Mauna-Loay queen Davos,y esrelativamenteancho,abarcandola primaveray gran partedel verano.Tam-bién resultaevidentequeel máximode ozonoenIzañaessimilar al registra-

60

55

.0ao.

u‘Ea>o.0ooNo

50

45

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35

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25

20

Mes

Figura 8. Variación anualpromediodelozonosuperficiat(mediasmensuates)en los Obser-vatorios de halla (las barrasverticales indican el intervalo )‘ Mauna-Loa(Hawai), Davos(Suiza)y Hohenpeissenberg(Alemania).

IZO (1988-93)

—- Mauna-Loa (1981 -92)

k—+— Davos <198748)

_____ Hohen elssenberg (1984-85)12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12


do en Mauna-Loa.Davosy Hohenpeissenberg.El máximode ozono superfi-cial registradoen éstaúltima enel mesde Julio sedebe,en granparte,a pro-ducciónfotoquímicaen la capade mezclacontaminadacontinental,quese haincrementadonotablementeen los últimos años (ianach, 1989).

4.2. Los perfiles troposféricos de ozono

4.2.1. Losperfiles verticales

En la figura 9 se muestranlos perfilestroposféricoscorrespondientesalinvierno.En ellossepuedecomprobarcómo el ozonoesprácticamentecons-tante,con un valor entre40 y 50 ppbv a partir de los 2 km de altura,unavezque nos elevamossobre la capade mezcla.El coeficientede variación delozono( x 100/ valormedio de ozono,en cadanivel) esmenoral 20% en todala troposferamediay media-alta,alcanzandoun valor próximo al 60% entrelos 10 y los 12 km. La humedadrelativa disminuyerápidamentedesdeelnível del marhastalos2km dondesesitúaen un valormedioentornoal 20%,

12

lo

8

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2

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Temperatura <0C)

-40 -30 -20 -10

Figura 9. Perfiles verticalesmediosde ozono (ppbv). temperaturaTenerife,en invierno(Diciembre,Enero y Febrei-o.79 ozonosondeos),

10 20 30

0 20 40 60 80 100 120 140Ozono (ppbv>

70 60 50 40 30 20 10 0¡ ¡ __-fi

Humedad (%)

QC) y buníedad,sobre


y la temperaturadisminuyetambiéna partir de los 2 km con unapendientemayor hastala tropopausa.El fuerte incrementode ozonoapartir de los 10km se debea la proximidadde la tropopausaqueseencuentraen éstaépocadel añoen su nivel másbajo.

En la figura 10 se muestrael perfil troposféricoen primavera.La situa-ción escompletamentediferentea la mostradaen el invierno,yaque la razónde mezclade ozonoaumentaclaramentecon la altura,observándosevaloressuperioresa las 50 ppbv por encimade los 2 km, superioresa 60 ppbv a par-tir de los 4 km, y superioresa 70 ppbv por encimade los 5 km. La variabi-lidad del ozonoen toda la troposfera,indicadopor la desviaciónestándary

por el coeficientede variación del ozono, es sensiblementesuperiora laregistradaen el invierno.FI coeficientedevariaciónde) ozonoen la tropos-fera media y alta se sitúa entreun 20% y un 30%.La razón de mezcladeozono aumentamás rápidamentecon la altura a partir de los 12-13 km, yaquela tropopausaestásituadamásalta en éstaépocadel añoqueen invier-no. Es significativo el hechode que la troposferalibre en estaestaciónestámás secaque en invierno, llegandoa registrarvaloresmediosde un 10%entre4 y 8km.

Temperatura rc>-40 -30 -20 -10 0 10 20 30

12

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8

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o0 20 40 60 60 120 140

Ozono (ppbv)70 60 50 40 30 10 0

Humedad (%)

Figura 10. Perfilesverticalesmediosde ozono(ppbv), temperaturaTenerife,enprimavera(Marzo,Abril y Mayo, 46 ozonosondeos).

(0C) y humedad,sobre

100

20


La figura 11 muestralos perfilestroposféricosen verano.El hechode queel perfil de ozonoen toda la troposferaseamuy similar al registradoen pri-mavera,con un ritmo de incrementodel ozonocon la alturaparecido,resultasorprendentesi nos atenemosa los resultadosmostradospor la literaturaclá-sica.Antesde llegar a los 2 km de altura, la razónde mezclade ozonoes yasuperiora las 50 ppbv. y a 5 km de alturaes de 70 ppbv. La variabilidaddelozonoenla troposferalibre en veranoes inclusosuperiora 1-a registradaen laprimavera, con un coeficientede variación igual o superioral 30%, lo quepodríaindicar queen dicharegiónestánteniendolugaren estaépocadel añoimportantesprocesosfotoquímicoso de transporte<Cuevas et al., 1995c).El

ozonono se incrementamuy rápidamentecon la alturahastaquesealcanzanlos 14km, yaqueen éstaépocadel añola tropopausaestásituadaen su nivelmás alto. El perfil de humedadmuestraunatroposferalibre muy seca,convaloresmediospor debajodel 20% apartirdelos 2kmde altura,aunquecabedestacarun máximorelativo, aunquede pequeñamagnitud,situadoen tornoa los 5 bu, y que estáasociadoa la presenciade altocúmulosen estaépocadel año.El ritmo de decrecimientode la temperaturaes algo menor que elobservadoen primavera.

Temperatura (0C)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 3012

lo

A

4

2

o100 120 140

20 10 0

Figura 11. Perfilesverticalesmediosde ozono(ppbv). temperainraTenerife,enverano(Junio,Julio y Agosto,95 ozonosondeos).

0 20 40 60 60Ozono <ppbv)

70 60 50 40 30- -Q__

Humedad (%>

(0C) y humedad,sobre

3. Investigacióny programademedidasdel ozonotroposféricoen... 89

Los perfilesmediosen la troposferalibre enotoñosemuestranen la figu-ra 12 En éstaépocadel añose observaun cambio importanterespectoa losperfiles mediosde la primaveray del verano.Los valoresmediosde ozonodisminuyensignificativamenteen la troposferamedia,obteniéndoseun perfilmuy similar al observadoduranteel invierno,con valoresde razónde mezcla

de ozonocasi constantes,en torno a las 50 ppbv desdelos 2 km hastalos 8km. Aunqueel perfil de ozono es casi constante,su variabilidadaumenta,siendoel coeficientede variaciónde ozonosuperiora un 30% por encimadelos 4 km. A partir dc los 8-10km comienzaa observarseun incrementomásrápido del ozono con la altura que es debido a la menoraltura de la tropo-pausa.La humedadrelativa por encimade la inversión es baja,en torno al20%,y casi constanteen toda la troposfera.El ritmo de decrecimientode la

temperaturaconla alturacomienzaa acentuarse,asemejándoseal observadoen el invierno.

En resumen,los perfiles verticalesmediosen primaveray veranomues-tran valoresrealmentealtosen la troposferalibre en Tenerife,si secomparancon los obtenidosen Hijo (Hawai), estaciónque se encuentraa 200N en elocéanoPacifico(Oltrnansy Komhyr,1989).Estosresultadoscoincidencon los

um4

12

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8

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2

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Temperatura <0C).40 -30 -20 -10 0 10 20 30

0 20 40 60 80 100 120 140Ozono (ppbv>

70 60 50 40 30 20 10 0-1-

Humedad (%)

humedad, sobreFigura 12. Perfilesverticales mediosde ozono(ppbv). temperatura(“C) yTenerife,en otoño (Septiembre,Octubrey Noviembre,61 ozonosondeos).

90 Emilio Cuevas,JuanManuelSanchoy Alberto Redondas

obtenidospor otros autoresen el océanoAtlántico a la mismalatitud, duran-te campañasrealizadascon barcos(Sniit et al., 1989a; 1989b)o con aviones(Marencoy Said,1989). Los resultadosobtenidosde campañasintensivasdeozonosondeos,realizadassimultáneamenteen Azores,Bermudasy Tenerife(Oltmans,1994a; Oltmanset al., 1996),indicanque la troposferalibre sobreel océanoAtlántico muestracontenidosmuy elevadosde ozono.Si tenemosencuentaqueen la regiónsubtropicalatlánticano existeunacapade mezclacontaminadacomo sucedeen lasregionescontinentales,estosaltosvaloresdeozonopodríanserexplicadosen términos de procesosdinámicos(Cuevasy

García-Méndez,1995a).Unavisión generaldel comportamientoestacionaldel ozonotroposférico

sobreTenerifesepuedeobtenera travésde la secciónverticaldeozono tro-posférico a lo largode losaños(figura 13).En estafigura sepuedenobservarclaramentevaloresaltosde ozono troposféricoen primaveray veranoquesedistribuyencomo “lenguas” que“caen” desdenivelesaltosde la troposfera.Porotro lado,podemosobservarque losvaloresaltosde ozonono selimitana unadelgadacapa,sino quese distribuyen a lo largo de toda la troposfera,sugiriendoestehechoqueestosvaloresaltosde ozonono puedenserdebidosa procesosde transportehorizontal, queprobablementetan solo afectaríana

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1 03 (ppbv)

93 94 96 96 97Año

de ozonotroposférico(ppbv)obtenidodetos ozonosonde-Figura 13. SecciónTiempo/Alturaos de Tenerife.

3. Investigaciónyprograma demedidasdel ozonotroposférico en... 91

unacapaatmosféricamáso menosanchaperono a toda la troposfera,y quedebemosbuscarla explicación a los mismosen procesosdinámicoso foto-químicosqueimpliquenunamayorextensiónvertical.

Todosestosresultados,junto al hechode que los “picos” de ozono en la

troposferaseencuentransiempreasociadosa valoresmuy bajosde tempera-tura y humedad,indican quela causade queregistremosuna troposferasub-tropical ricaen ozonohay quebuscarlaen las frecuentesintrusionesde aireprocedentesde la alta troposferao de la bajaestratosfera.

4.2.2. Análisispor nivele,s

La figura 14 muestrala evolución anualde la razón de mezclade ozono(ppbv)en los nivelesde 1000,700,500y 300 hPa,respectivamente.Comosepuedeapreciar,el nivel de 1000 hPa no muestrauna variación estacionalclara,permaneciendoprácticamentetodoslos valorespor debajode50 ppbv.

En cambio en la troposferalibre, en los nivelesde 700.500 y 300hPa(3,5.6y 9 km, respectivamente)se observaun claro ciclo anualcon valor máximoen veranoy mínimoal comienzodel invierno.

Smir et al. (1993),en la estaciónde Ji.ilich (Alemania),observanqueen lacapamásbaja0.1-2kmel máximode ozonoseproduceen veranoy a medi-da que nosvamoselevandoen la troposferalibre, el máximoanualde ozonoseva desplazandohaciala primavera,de tal modoqueen las capasde 6-9 kmy de 9-12 km el máximoestácentradoen abril.Estosresultadosles permitenafirmar queen nivelesbajosel máximode ozonoestámoduladoporprocesosfotoquímicosquetienenlugar en la capade mezcla,ya quela ondade hume-dad estaacopladacon la de ozono,observándoseun comportamientosimilaren las capasde 2-4 km y 4-6 km. En cambio,en los niveles más altos de latroposfera,el máximode ozonoestaríamoduladopor los procesosde inter-cambioestratosfera-troposfera,yaquela ondade ozonoestádesfasadaencasi6 mesescon la de humedady en fasecon la curvapromediode la transferen-cia de flujo de la estratosfera(Danielseny Mohnen,1977).

En nuestrocaso,el hechode queapartir de 3 km hastala altatroposfera

la variaciónanualdel ozonoseala misma,pareceindicarquelos valoresaltosde ozonoqueseproducenal final de la primaveray principiosdel verano,tie-nen un origencomúnque no puedeserencontradoen la capade mezcla,yaque los procesosconvectivosprácticamenteno existen en estalatitudes,ycomo veremosacontinuación,los valoresdeozonoen la capade mezclasonmuy bajos.La explicación a estemáximode ozono en la troposferalibre seda másadelante.

Emilio Cuevas,JuanManuelSanchoy Alberto Redondas

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Figura 14. Seriesde ozono(ppbv) en los niveles de 000, 700, 500 y 300 hpa, respectiva-mente.Las curvasde aiustesehanobtenidomediantemediasmóviles de3 días.

4.2.3. La capade mezcla

En la capade mezclatienen lugar una seriede procesosfotoquímicoscaracterísticosque hacenque la distribución espacialy temporal del ozonoseamuy diferentea la encontradaenla troposferalibre. Porotro lado,la esta-ción VAM de Izafla seencuentraa 2400 m s.n.m.y por lo tanto,próximaa lacapade mezcla,por lo quepequeñosdesplazamientosverticalesdedichacapapodríanafectara las medidas“de fondo” quese realizanen Izaña.

La capade mezclaen Tenerife,tal y como se muestraen la figura 15, secaracterizapor serbastantehúmeday por estarlimitada superiormenteporuna inversiónde temperatura.La alturapromedioestacionalde la basede lainversiónde temperaturaes indicadamedianteunalíneagruesa.En la capademezclasuelensoplarlos alisiosque sonhúmedosy relativamentefrescos,ypor el contrario,por encimade la capade inversiónsuelensoplarairessecosprocedentesde la troposferamediay de latitudesmás altas.

La figura 15 muestrael perfil vertical atmosféricode los 3 primeroskiló-metrosparacadaestación.Se hadecididodibujarjuntoslos perfilesde hume-dady ozonocon el fin de poderobtenerunarápidaimagende la posiciónde

92

a

3. Investigaciónyprogramade medidasdel ozonotraposféricoen... 93

la capademezclay su influenciaen las concentracionesde ozono.Asimismoseha dibujadoen línea a trazosla posiciónde Izañaparaestimarla posibleinfluenciaque puedateneren cadaestacióndel año la capade mezclasobreel observatorio.

El perfil verticaldegasestrazacomoNOS, CO y el de aerosoles,muestraquetodosellossonmáximosen la capade mezcla(Kleinmany Daum, 1991),disminuyendo rápidamentecuando nos situamos en la atmósfera libre(Ehhalt, 1992a; 1992b).Es tambiénconocidoel hechode quelos procesosfotoquímicosquetienelugaren unacapade mezclahúmeday relativamentelimpia comola quesepuedeencontrarenTenerife,producenunadestrucciónnetade ozono(Lenschowetal., 1982).

El procesode destrucciónde ozono troposféricomás importanteen lati-tudesmediasdel hemisferionortees el queinvolucraal I~I2O y a la radiación

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Figura 15. Perfilesverticalesdeozono(ppbv)y humedadrelativa(%)en la“capademezcla”en invierno,primavera,veranoy otoño,respectivamente.La líneahorizontalnegray fina, indi-cala alturadelObservatoriode Izaña,y la líneagris másgruesa,la alturamediade la basedela inversióndetemperatura.

0 15

19 20 30 400,090 (vpb0E

0 15

e.LI

94 Emilio Curvos,JuanManuelSanchoy Alberto Redondas

solar <Fishman, 1985a, 19&5b) que tiene una especial importanciaen lascapasde mezclalimpias (Piotrowiczel al., 1986).

Comopodemosobservaren la figura 15 la capade mezclaes muy húme-da, registrándosevalores muy bajos de humedadrelativapor encima de lainversión de temperatura.También se observaque paracualquier épocadelañola razónde mezclade ozonoes muchomásbajaen la capade mezclaqueen la atmósferalibre,aumentandorápidamentedesdeel suelohastael límitesuperiordela inversión.Estoesasíporqueal tratarsedeunainversiónde sub-

sídencia.al límite superiorde la mismaestáncontinuamentellegandomasasde airede niveles más altos y por lo tanto másricasen ozono.registrándosepor el contrariounadestrucciónnetade ozonoen el senode la capade mez-cla, queesmáximajunio al suelo.

Por otro lado,estosresultadosponende manifiestoquelos altos valoresde ozonoregistradosen la troposferalibre no puedenser debidosa fenóme-nos convectivoslocaleso regionalesqueelevenmasasde airecon altascon-centracionesde ozonocomo puedesucederen regionescontinentalescomo lapenínsulaIbérica(Millón y Art/ñano,1992).

4.2.4. Vúlores integradosdel o2onotroposférico

El ozono troposféricose calcula integrandolos perfiles de ozonodesdeelnivel del marhastael nivel de la tropopausa,y su variaciónanualsemuestraenla figura 16 (izquierda).Dicho nivel se calcula medianteel criterio establecidopor laOMM (Olivo, 1986),perodadoquecon relativafrecuenciaesdifícil deter-minarlo con exactitud,o aparecendostropopausas,decidimoscalcularel ozonotroposférico integrandodesdeel nivel del mar hastael nivel de 200 hPa,que

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Figura té. Ozonotroposféricointegrado(UD) desdeel nivel del n,ar hasta la tropopausa,yhastael nivel de 200 hPa, respectivamente(puntos). Las lío~eascorrespondenal ajustepormediasmóviles de5 días.

SO —

E

40-1

e


aproximadamenterepresentael nivel de presiónmedio anualde la tropopausa.El ozonotroposféricocalculadomediantela integracióndel perfil deozonohastaun nivel fijo, tieneademásla ventajade eliminar las variacionesqueel mismopudierasufrir debido a simplesdesplazamientosverticalesde la tropopausa,siendomásrepresentativodel contenidode ozonoen la troposferalibre,y sien-do más útil en la comparaciónde losdiferentesvaloresa lo largo del año.

En cualquier caso,el ozonotroposférico, independientementede cómo

hayasido calculado,muestraunavariaciónestacionalclaracon un máximoafinalesde la primaveray a principiosdel verano,y un mínimoeninvierno.Enel mínimo anual,la cantidadde ozonotroposférico,con un valor medio deunas25 UD, representaaproximadamenteun 10% del ozonototal en colum-na.En cambio,enel máximo,con un valor medio de unas45 UD, el ozonotroposféricorepresentaentreun 15% y un 16% del total en columna,por loqueen verano,no solo el ozonotroposféricoes muy alto sino querepresenta

unapartedel total que es significativamentemayor queen el resto del año.Estosresultados,por otro lado,eran esperadosa la vistade los perfiles tro-posféricosmostradosenlas figuras 9,10, 11 y 12.

5. LAS RELACIONES DEL OZONO TROPOSFERICO CON LADINÁMICA ATMOSFÉRICA EN LA REGIÓN SUBTROPICAL:RESULTADOS MÁS IMPORTANTES

lino de los temasqueha interesadomása los numerososinvestigadoresquehantrabajadoenIzañaen el campodel ozonotroposféricohasidoel detratarde

explicar los numerososepisodiosde altas concentracionesde ozonosuperficial(mayoresa 60ppbv)registradosenesteObservatorio,sobretodoen verano.Unavezdescartadala producciónlocal debidoalasbajísimasconcentracionesdepre-cursoresdeozono(óxidosdenitrógeno,monóxidodecarbonoe hidrocarburosnometánicos),surgierondoshipótesisrazonablesparaexplicarestosepisodios:

1. Transportede largo recorridoprocedentede lugarescon intensapro-

ducciónfotoquímica,principalmentedeEuropacentral(Schmitt,1988).2. Procesosatmosféricosnaturalesasociadosal desarrollode Depresio-

nes (bajas)Aisladasen Niveles Altos -DANA’s - en latitudesmedias(Cuevas, 1996).

La primera hipótesisera principalmenteseguida,hastapoco,por gruposde investigaciónalemanesligadosal ObservatoriodeIzaña.La segundahipó-tesisha constituidola línea básicade investigaciónseguidapor el grupo delINM, el cual ha demostradoque es capazde explicar sin ambigúedadlainmensamayoríade los episodiosregistradosde valoresaltosdeozono.

96 Emilio ~Zuevas,JuanManuelSanchoy Alberto Redondas

Los valoresaltoso muy altosde ozonosuperficial,registradosprincipal-menteen primaveray verano,estáncasi siempreasociadosa masasde aireprocedentesde latitudesmediassobreel Atlántico Norte a nivelesaltosde latroposfera(superioresa 4 km). Los valoresmuy altosde ozonoestan,en suinmensamayoría, ligadosa la llegadade una masade aire al Observatorioprocedentede la parte traserade una DANA donde tiene lugar procesosimportantesde subsidenciae intercambioestratosfera-troposfera.Los meca-nismos dinámicos han sido analizadosen detalle utilizando imágenesdesatélite(principalmentelas de vaporde agua,como la dela figura 17), mapasa diferentesniveles isentrópicosde vorticidadpotencial(figura 18), de teni-peraturapotencial,de vientosy de ascendencias/subsidenciasde masasdeaíre, asi como tambiéntrayectoriasisentrópicasa diféreútesniveles (INM,

/988).Duranteestetipo de episodioslos ozonosondeosrealizadosen SantaCruz

de Tenerifemuestranunasestructuras“en capas”con excelentescorrelacio-nes negativasentreel ozono y la temperaturade rocío paratodos los nivelesde la troposferalibre (figura 18),típicasde masasde aireprocedentesde nive-les altos(Cuevas,1996).

WV- 1&S/93;OO.zPV 335

Figura 17. Imagendevapordeagua(1$de335 K. que indicanclaramentela existencia

Agosto-OSalas00 TMO) y vorticidadpotencialaunaDANA al oestede la PenínsulaIbérica.

3. Investigaciónyprograma demedidasdel ozonotroposfér-icoen... 97

50

Figura 18. A la izquierda se muestrauna secciónvertical de vorticidad potenciata lolargodel perfil mostradoenel mapade laesquinasuperiorderechaparael día 18 deagos-to de 993, a las 00 TMG. Análisi del LAM-INM (ServiciodeTécnicasdeAnálisis y Pre-dición,STAP-INM). A la derechaesmosradoel perfil verticaldeozonoy depunto decon-gelaciónsobreTenerifeparael mismo día. Sepuedecomprobarcómoexisteunaexceten-te correlaciónneáativaentreambos,indicandoquela masadeaire sobreTenerifeprocededeniveles altos de la- atmósferacomolo confirmantastrayectoriasisentrépicasen 310 y320 K.

Esta explicación dinámicaa los valoresaltos de ozono registradosenIzaflaseconfirma conotro tipo de información,completamenteindependien-te: duranteestosepisodios,los valoresde Be7 (trazadorradioactivode masasde airede origenestratosférico)se incrementannotablemente,y por el con-trario los valoresde Pb2t0 (buentrazadorradioactivodemasasde aireproce-dentesde la capáde mezcla)(ver figura 19), y SO; (trazadorde contamina-ción antropogénica)sonextremadamentebajos.

-t 1y

Figura19. Valoresdiariosdeozonoy Be’ (izquierda),y vatoresdiariosdeozonoy Pb21’ (dere-cha),registradosenIzafla duranteel veranode 1990. Se observaunabuenacorrelaciónentreel ozonosuperficiaty el Be’ y por el contrariounacorrelaciónnegativaentreel ozonoy elPb210.

09,50 49 00959 91.5045 (C¡40 .59 .40 .50 .20 -10 9 10

LI

iSAgoslo.E0~ TMC

*9 20 35 .4 so is 70 90 90 909Ososo Eppbs¡

Ms ¡dsod. Eo.,o-1900> Mo. 4G oE9.,s-1090¡


UnaestadísticadeSañosdetrayectoriasdiariasisentrópicas(305-310K)de10 días muestra,además,que cuandose registranvaloresde ozonomoderada-mentealtoso muy altos,el porcentajede masasde aireprocedentesde Europaes muy bajo y que,por el contrario,la mayorpartede las trayectoriasprocedende la partecentraldel Atlántico Norteen latitudesmedias(sector“limpio”).

El casoopuesto:valoresmuy bajosde ozono,sepuedenproducirpor doscausasbien diferentes:

1. Episodios de niebla en el Observatorio,por procesosconvectivosmoderadoso por rotura o elevaciónde la inversión de subsidencia.Estos episodios,de tipo local o regional, se suelenproducir en sutnmensamayoríaen invierno.

2. Invasionesde aireprocedentedel desiertodel Saharao del Sahel.Este

tipo de invasionesde aire saharianose puedenproducir en cualquierépoca del año,aunquesu mayor incidenciaes en invierno, y sobretodo, en verano.

El bajo contenidode ozono asociadoa las trayectoriassaharianas,inde-pendientementedel tipo quesea,es debidoa unaseriede circunstanciasquese producensimultáneamentey quesonlas siguientes(Cuevas,1996):

1. Las masasde aire “arrancan”del suelodebidoa procesosconvectivosproducidospor bajas térmicasmesoescálicassobre el Sahara y elSahel,y por lo tanto sonmáspobresen ozonosi tenemosen cuentaladistribuciónvertical de estegas.

2. Las regionesgeográficasdonde se originan las masasde aire sondesérticasy carentesde actividadesindustrialespor lo queen modoalgunose producenprocesosfotoquímicosde formaciónde ozono.

3. Las masasde aire seoriginan en latitudessimilareso inferioresa la deCanarias,por lo queno se ven favorecidas,sobretodoen primaverayverano,por la distribuciónlatitudinal de ozonotroposférico.

4. La deposiciónsecadel ozono se intensifica al aumentarla superficieeficaz de las panículasde polvo en el aire, ya que normalmentelasmasasde airesaharianasarrastrancantidadesimportantesde partículas.

5. La radiaciónultravioletadifusaaumentapor efectode laspartículasensuspensión,provocandounadestrucciónnetade ozonoya que las con-centracionesde precursorescomo los HNMCs y los óxidosde nitró-genoson muy pobresbajo estassituaciones.

Bajo situacionessaharianas,los bajasconcentracionesdeozonosuperficialestánintimamenteasociadasa valoresaltoso muy altosde espesoresópticosde aerosoles,a valoresaltosdePb210y NO<, asi como a valoresaltosde aero-soles particuladosmetálicos(el Aluminio se sueleutilizar como trazador,porserun integrantebásicode lacortezasahariana,verfigura 20) (Cuevas,1996).


100 10.0

80 1.0ao.o

.

6~

o~ 60 0.1

E>0. 5

<A‘ooeoN0 40 0.0

20 0.0

1-junsO 1-Sep9O

Figura20. Valores diariosde ozonosuperficialy de aerosolaluminio medidosen Izañaen etveranode 1990.

Desdeel punto de vistade la composiciónquímicadel aire, la importan-cia del impactoproducidopor las situacionessaharianasaumentaconsidera-blementesi tenemosen cuentael efectode “inercia” atmosférica,que hace

que despuésde unasituaciónsaharianalas propiedadesfísicasy químicasdela atmósferano variendeformainmediata,sinopaulatinamente,a medidaquela atmósferava siendo “limpiada” por el flujo de aire procedentede otrasregiones“limpias” como, por ejemplo,el Atlántico. De estemodo, trasunatnvasión sahariana,y una vez que se ha establecidouna nuevacirculaciónatmosférica,podemosseguirobservandopolvo en suspensión,valoresaltosde espesoresópticosde aerosolesy bajoscontenidosde ozono.Naturalmenteesteefecto serátanto menosimportantecuantomás intensaseala circulaciónatmosféricaquereemplacea la sahariana.

6. PROYECTOS ACTÚALES DE INVESTIGACIÓN

A partede los programascontinuosde medidade ozonosuperficialy tro-posférico,en el Observatoriode Izañase hanllevadoa caboalgunascampa-ñas intensivasdemedida,tanto de ozonocomo de componentesrelacionadoscon él. Lasmás importantessonlas siguientes:

1-Julfió 1-AgoSO


CAMPAÑA OCTA (OoOxidizing Capacity of the TroposphericAtmosphe-re ‘). Financiadapor la Unión Europeay realizadaen Izafia en Agosto de1993.El principal objetivo fue el de obtenerun conocimientodetalladodelcomportamientode diferentescomponentescomoradicaleslibres (OH, NO3),ozono (Smit et al., 1995), óxidosde nitrógeno,hidrocarburosno metánicos,etc, con el fin de conocerlos ciclos de formación y destruccióndel ozonosuperficial y asíestudiarla capacidadoxidantede la troposferalibre.

CAMPANA INTENSIVADE OZONOSONDEOSCON LA NATIONALOCEANICAND ATMOSPHERICADMINISTRATION(NOOA/CMDL).Estacampaña fue financiada por la National Science Foundation y laNOAA/CMDL (USA) y se realizó en Tenerifeen Juliode 1995.Fueronlan-zadosduranteesemes25 ozonosondeosdesdela estaciónde radiosondeosdeSIC de Tenerifey desdelas Azores de formasimultánea.Estascampañasseenmarcabanen el proyecto estadounidenseNARE (North Atlantic RegionalExperiment)cuyo principalobjetivoes el de conocerla distribuciónde ozonotroposféricosobreel Atlántico Norte (Oltmanset al., 1996)

PROYECTOAEROCE <“At¡nosphere/OceanChemistry Experiment”).Esteproyectose desarrollasin interrupcióndesde1989 y suobjetivoesestu-diar la distribuciónde diferentesaerosolesparticuladosy de ozonosuperficialsobreel Atlántico Norte (Prosperoet al., 1995)dentrode unaredconstituida

por las estacionesde Izaña,Mace-Head(Irlanda),Bermudasy Barbados.Par-ticipan en el mismo las Universidadesestadounidensesde Miami, Rhode-Islandy Virginia.

PROYECTOTOR (“Tropospheric OzoneResearch”).Financiadopor laUnión Europea,fue desarrolladoen el Observatoriode Izañaen el periodo1992-1996.Su principal objetivo fue el de estudiarde losciclos de creación,destruccióny transportede largo recorrido de ozono superficial,midiendodichocomponentey susprecursores(hidrocarburosno metánicos,monóxidodecarbono,óxidosde nitrógeno,Peroxi-Acetil-Nitratoy J(N02)).

PROYECTOBOA (“Budget ofOzoneOvertheNorth Atlantic “).Finan-ciadopor la Unión Europeasedesarrollóenel Observatoriode Izañaen elperiodo1994-1996.El objetivo de esteproyectoera el de adquirirun mejorconocimientode la distribución del ozono troposféricosobre el OcéanoAtlántico y su papelcomo oxidanteen la troposferalibre. Colaboraronenesteproyecto: el Instituto ForschungszentrumJiiilich, KFA (Alemania), laUniversidadde París-Val de Mame (Francia), la Universidadde Bristol(Gran Bretaña)y MeteoConsult (Alemania). Cabe ser destacadoen elmarcode esteproyectolas campañasintensivasde ozonosondeos(con másde 20 ozonosondeospor mes y estación)llevadosa caboen las estacionesde SIC de Tenerifey Madrid en Febreroy en Juniode 1995 (Cuevaset al,


1995b).Asimismo se realizaroncampañasde ozonosondeosenFebrerodelmismoaño enHaute/Provence(Francia),y en AzoresenJuniode 1995.ElINM fue la institución coordinadorade los ozonosondeosdel proyectoBOA.

PROYECTO“Jnvestigationof tite OxidizingCapacityof the AtmospherebyMeasurementofAlt RelevantParametersOverAreas ofD¿fferentMeteo-rological Conditionsand Dufferent Pollutional Impact”. Financiadopor laUnión Europease realizódurantelos años l994y 1995.Su objetivoprincipalera cuantificarel impactoprovocadopor las actividadeshumanasen la capa-cidadoxidantede la troposfera(Smith et al., 1996; Armerding at al., 1997)Colaboraronen este proyecto las universidadesde Frankfurt (Alemania),East-Anglia(GranBretaña)y la de Oslo (Noruega).

En el marcodel programade ozonotroposféricose desarrollanotro tipode actividades,entrelas que cabedestacarpor su repercusióninternacional,las auditoríasy calibracionesde ozonosuperficial quelleva acaboel Obser-vatoriode Izañaen latinoamérica.La OMM designóen 1996al Observatoriode Izaña,centrode calibraciónde ozonosuperficialde la redSCO3P(“SouthCone OzoneProject”),que agrupaa unadecenade estacionesde vigilanciadel ozono superficial repartidasen cinco países:Argentina, Brasil, Chile,Paraguayy Uruguay.

7. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

Una de lasactividadesfuturasmás importantesdel Observatoriode Vigi-lanciaAtmosféricade Izaña,en el marcodel programade medidase investi-gacióndel ozonotroposférico,es el de continuarlas medidasde ozonosuper-ficial y la realizacióndeozonosondeosconel fin depoderdetectaltendenciasde estecomponentea diferentesniveles.Asimismo seacometeráel análisisde las seriesde datosobtenidosen los últimos añosen otras estacionesdeozonosituadasen la isla de Tenerife.

En cuanto a los aspectosrelacionadoscon el control de calidadde losdatos,se trataráde consolidary ampliarel actual centrode calibraciónde

ozonotroposféricopara el proyecto latinoamericanoSCO3P,mejorandolasmetodologíasde calibracióny auditoríasde ozonosuperficial.

En aspectosmáscientíficosse intentandesarrollar,en un futuropróximo,doslíneasimportantesde investigación:

1. Se trataráde conocerel papelquejueganlos aerosoles(el polvo pro-cedentedel Sáharaprincipalmente) en una posible destruccióndeozonoen la troposferasubtropical.

102 Emilio <hievas, JuanManuelSanchoy Alberto Redondas

2. Se analizarácómo los procesosdinámicosasociadosal chorro subtro-pical controlanel intercambiode componentesquímicos entre la bajaestratosferay la alta troposfera.Estalínea de investigaciónse desarro-llará en el marcodel recientementeaprobado(1997) proyectoeuropeoTRACAS(TRansportof ChemicalspeciesAcrossthe Subtropicaltro-popause),quees unacontinuacióndel proyectoTHESEO(THird Euro-peanStratosphericExperimenton Ozone)y quese iniciaráen 1998.

AGRADECIMIENTOS

Los autoresquierenreconocery agradecerla gian labordesarrolladaporMariánCarreteroenel inicio del programade ozonosondeos,asi como la granprofesionalidadconqueSergioAfonsocontinuay mejoraesteprogramaenlaactualidad.Asimismoexpresansu mássinceroagradecimientoa FedroCarre-tero por su incansabley valiosísimadedicaciónduranteañosa los analizado-res de ozono superficial del Observatoriode Izaña. Finalmentemuestransugratitud a la SubdirectoraGeneralde ProgramasEspecialese InvestigaciónClimatológicadel INM, Rosario Diaz-Pabón.por su continuo apoyo a esteprogramade investigacióndel ObservatorioVAN’I de Izafla.

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Investigación y programa de medidas del ozono troposférico en el observatorio de vigilancia atmosférica de Izaña (INM)