Validación de datos satelitales de ozono a partir de mediciones espectrorradiométricas en superficie en la zona urbana del Valle de Aburrá

ilustraciones, anexos

Autores:
Puerta Guiral, Lina Marcela
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2020
Institución:
Tecnológico de Antioquia
Repositorio:
Repositorio Tdea
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:dspace.tdea.edu.co:tdea/1000
Acceso en línea:
https://dspace.tdea.edu.co/handle/tdea/1000
Palabra clave:
Ozono atmosférico
Satélites artificiales
Radiometría
Análisis de información
Espectrorradiometría solar UV
Método Dobson
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spelling Nisperuza Toledo, Daniel Joséa8354c43-7539-4b21-b325-77e851f5314f-1Puerta Guiral, Lina Marcelada30da78-c6b7-4677-b51d-80862f4dddf66002021-03-12T21:45:37Z2021-03-12T21:45:37Z2020-08-28https://dspace.tdea.edu.co/handle/tdea/1000ilustraciones, anexosEl ozono es considerado uno de los principales gases traza en la atmosfera, su presencia en la troposfera está ligada a un complejo proceso fotoquímico de oxidación de compuestos orgánicos volátiles y su cuantificación en el Valle de Aburrá, tradicionalmente, se ha realizado de manera in-situ, obteniéndose así un panorama parcial sobre el rol que desempeña en la dinámica atmosférica. La implementación de tecnologías de teledetección permite extender y complementar dicho panorama, posibilitando la caracterización de las propiedades físicas y químicas de los gases traza y aerosoles existentes en la atmosfera. La principal fuente de este tipo de información se obtiene, actualmente, de las diversas plataformas satelitales que, a diario, monitorean la atmósfera del territorio colombiano. Sin embargo, debido a las características climatológicas, geográficas y morfológicas del Valle de Aburrá, esta información podría no estar siendo representativa para la dinámica local de su atmósfera. En este sentido, en esta investigación se estableció una estrategia metodológica para la validación de la información satelital relacionada con el contenido de ozono total en la atmósfera del Valle de Aburrá. Esta estrategia involucró la implementación de mediciones de espectrorradiometría solar desde la superficie del valle, el desarrollo de algoritmos de análisis, de dichas medidas, basados en el procesamiento propuesto por Dobson para la interacción luz-atmósfera y la comparación de la información retribuida con las suministradas desde las plataformas satelitales. La metodología se implementó, exitosamente, en un programa piloto de monitoreo atmosférico remoto, llevado a cabo en las instalaciones de la sede Robledo de la Institución Universitaria Tecnológico de Antioquia, entre el 25 de febrero al 13 de marzo de 2020. En este estudio piloto se cotejaron las cuantificaciones del contenido total de ozono en columna atmosférica, en la zona urbana del Valle de Aburrá, obtenidas desde mediciones en la superficie del valle y las proporcionadas por la misión satelital Aura de la NASA. Los resultados mostraron que los contenidos promedios de este gas en la atmósfera de esta zona del país oscilaron alrededor de los 250 U.D. y que, si bien hay una buena correspondencia entre ambas cuantificaciones, este tipo de mediciones podría no estar dando cuenta de las fluctuaciones que, en los ciclos diarios, exhibe este gas traza en los estratos más bajos de la tropósfera, específicamente, dentro de la capa límite atmosférica.TABLA DE CONTENIDO DEDICATORIA 2 AGRADECIMIENTOS 3 TABLA DE CONTENIDO 4 ÍNDICE DE FIGURAS 6 ÍNDICE DE TABLAS 9 ABREVIATURAS 10 RESUMEN 11 ABSTRACT 12 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 13 OBJETIVOS 15 INTRODUCCIÓN 16 CAPÍTULO I 17 1.1. GENERALIDADES SOBRE EL OZONO 17 1.2. CUANTIFICACIÓN DEL O3 EN EL VALLE DE ABURRÁ 20 1.2.1. Método Dobson para cuantificar O3 en columna atmosférica 20 CAPÍTULO II 26 2.1. ESPECTRORRADIOMETRÍA SOLAR 26 2.2. EL ESPECTRORRADIÓMETRO SOLAR ACOPLADO EN EL TdeA 28 2.2.1. Subsistema colector 28 2.2.2. Subsistema detector 30 2.2.3. Subsistema de registro 31 2.3. EL ESPECTRORRADIÓMETRO OMI, EN EL SATÉLITE Aura DE LA NASA 33 CAPÍTULO III 37 3.1. DESCRIPCIÓN METODOLÓGICA 37 3.1.1. Fase 1: Fundamentación 37 3.1.2. Fase 2: Apropiación técnica 38 3.1.3. Fase 3: Adquisición de datos 42 3.1.4. Fase 4: Análisis de resultados 44 CAPÍTULO IV 47 4.1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 47 4.1.1. Obtención de espectros de radiación solar UV en superficie 47 4.1.2. Procesamiento de los espectros 50 4.1.3. Cuantificación de O3 en columna atmosférica 53 4.1.4. Correlación estadística con los datos del satélite Aura de la NASA 55 CAPÍTULO V 59 5.1. CONCLUSIONES 59 RECOMENDACIONES FUTURAS 61 REFERENCIAS 62 ANEXO A 66ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Estratos de la atmósfera terrestre de acuerdo con el perfil vertical de temperatura. Adaptado de (M.Wallace & Hobbs, 2005) ................................................ 17 Figura 1.2. Esquema geométrico de caminos ópticos representados por la trayectoria de la luz solar a través de la atmósfera. ............................................................................. 23 Figura 2.1. Esquema general de un sistema de espectrorradiometría solar anclado en satélite. Imagen adaptada de http://imagenes.4ever.eu/naturaleza/universo/tierra-185273 ...................................................................................................................................... 26 Figura 2.2. Esquema general de un sistema de espectrorradiometría solar anclado en la superficie terrestre. ........................................................................................................ 27 Figura 2.3. Tubo telescópico. Esquema con trazado de rayos hasta la entrada de la fibra óptica. ............................................................................................................................ 28 Figura 2.4. Características espectrales del cable de fibra óptica. ................................. 30 Figura 2.5. Fotografía del primer espectrorradiómetro acoplado en el TdeA. Izquierda: principales constituyentes; Derecha: Espectro registrado en pruebas de laboratorio. .. 32 Figura 2.6. Espectro de radiación solar medido en la superficie del valle de Aburrá. ... 32 Figura 2.7. Estructura de la constelación de satélites A- Train. imagen tomada de https://www.nasa.gov/mission_pages/a-train/a-train.html. ............................................. 33 Figura 2.8. Proyección de la cobertura del satélite Aura sobre la superficie terrestre. El instrumento OMI logra realizar una cobertura de aproximadamente 2600 km de ancho. Imagen adaptada de https://www.ilpost.it/2017/04/22/consigli-per-la-giornata-della-terra/ ...................................................................................................................................... 34 Figura 2.9. Perfil de O3 característico en la atmosférica en el valle de Aburrá. Registrado 01/01/2010. adaptada de Vásquez, Trabajo de grado. Capitulo III. ............................... 36 Figura 3.1. a. Ubicación geográfica de Colombia. b. Localización geográfica del departamento de Antioquia. c. Mapa de alturas sobre el nivel del mar del Valle de Aburrá. ...................................................................................................................................... 38 Figura 3.2. Características espectrales del filtro de densidad neutra acoplado al telescopio colimador del espectrorradiómetro construido en el TdeA. Imagen adaptada de https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193&pn=NDUV04A#3323 .................................................................................................................................. 39 Figura 3.3. Partes en la nueva configuración del telescopio colimador. ....................... 40 Figura 3.4. Principales partes de la montura motorizada SmartStar Cube – E Series. . 41 Figura 3.5. Interfaz gráfica del software Ocean View; se muestra un espectro simulado de radiación solar. ......................................................................................................... 43 Figura 3.6. Flujograma algorítmico para la decodificación de la información OMI de nivel L2 relacionada con el contenido de ozono en columna atmosférica en el Valle de Aburrá. ...................................................................................................................................... 45 Figura 3.7. Flujograma del algoritmo Dobson, utilizado e la cuantificación del contenido de ozono en columna atmosférica en el Valle de Aburrá a partir de mediciones espectrorradiométricas en superficie. ............................................................................ 45 Figura 3.8. Aspectos que pueden influenciar en la representatividad de las medidas de ozono proporcionadas por el satélite Aura en el Valle de Aburrá. Izquierda: Imagen correspondiente a la trayectoria de Aura, en su nodo ascendente, el día 26 de febrero de 2020. Respecto al TdeA, la órbita central del satélite pasó a 1311 km de distancia, sobre territorio venezolano. Se aprecian las coordenadas de centro de los pixeles OMI proyectados en la superficie terrestre, así como su tamaño aproximado. Para esa fecha en particular, el pixel más cercano al Valle de Aburrá corresponde al más alejado de la órbita central del satélite, con dimensiones aproximadas de 13 X 300 km2; Derecha: Ampliación para la zona correspondiente al Valle de Aburrá. Se aprecia que la coordenada de centro del pixel más cercano a la posición del TdeA yace aproximadamente a 39,7 km, por fuera de los límites geográficos del valle.................. 46 Figura 4.1. Fotografía del sistema espectrorradiométrico acoplado en el TdeA, operando de forma automática en uno de los días de la prueba piloto. Se resaltan las adaptaciones realizadas, en esta tesis, a los sistemas colector y detector. ........................................ 48 Figura 4.2. Ejemplos de espectros de radiación solar UV (300 - 397 nm) en la superficie del Valle del Aburrá. Mediciones registradas el 05 de marzo de 2020 en las instalaciones del campus Robledo del TdeA, bajo condiciones de cielo semi-despejado y alta concentración de contaminantes en la atmósfera baja. Se puede apreciar la variación en la intensidad de la radiación UV a medida que trascurre el día;(arriba) por la mañana se observa un incremento, mientras que (abajo) por la tarde se evidencia un decrecimiento en la amplitud de los espectros. .................................................................................... 50 Figura 4.3. Procesamiento del ruido electrónico en los espectros de radiación solar UV en superficie en el Valle de Aburrá. Ejemplo mostrado para una medición del 05 de marzo de 2020. En color verde el espectro Raw (como lo arroja el instrumento); se identifica el ruido electrónico como una señal DC entre los 250 nm y 300 nm. En rojo el espectro sin ruido electrónico ............................................................................................................ 51 Figura 4.4. Intensidad de radiación solar promedio entre los 300 nm y los 397 nm en la superficie del Valle de Aburrá. Datos procesados para el 05 de abril de 2020. Los picos que muestran una disminución abrupta en la intensidad de la radiación corresponden a las medidas que se vieron afectadas por el paso de nubes en la atmósfera. Las fluctuaciones suaves observadas en la figura están asociadas a los efectos de la dinámica atmosférica y a la presencia de contaminación. Se puede apreciar, también, el incremento y la disminución en la cantidad de radiación UV que llega a la superficie del valle a medida que transcurren las horas del día y se pasa de la mañana a la tarde, como se pudo evidenciar en la figura 4.1. ............................................................................................. 51 Figura 4.5. Efecto de las nubes en la cuantificación del contenido de O3 en la atmósfera del Valle de Aburrá. Ejemplo tomado de las mediciones del 02 de marzo del 2020. En color naranja, la intensidad promedio de radiación UV que alcanza la superficie del valle; En azul, el contenido de ozono en columna atmosférica. Se aprecia que las fluctuaciones en la intensidad de la radiación pueden conllevar a una sobreestimación, subestimación o, inclusive, a una valoración negativa de la cantidad de ozono presente en la atmósfera de esta región del país. ................................................................................................. 52 Figura 4.6. Ozono total en columna atmosférica en el Valle de Aburra. Resultados de la prueba piloto de mediciones espectrorradiométricas realizadas en el campus Robledo del TdeA entre el 25 de febrero y el 13 de marzo de 2020. Se observa que el contenido de este gas oscila alrededor de los 250 U.D. con valores típicos entre los 150 U.D. y los 350 U.D. Los valores reportados para la fecha del 05 de marzo de 2020 discrepan de esta tendencia, posiblemente debido a la alta carga de contaminantes que en esa fecha se hallaban suspendidas en la atmósfera del valle, lo cual fue reportado por SIATA en sus mediciones de material particulado P.M.2.5 y P M.10. .................................................. 53 Figura 4.7. Promedios diarios del contenido de O3 en columna atmosférica en el Valle de Aburrá. ........................................................................................................................... 54 Figura 4.8. Histograma de frecuencias para el contenido de O3 en columna atmosférica en el Valle de Aburrá. Datos correspondientes al 05 de marzo de 2020. ...................... 54 Figura 4.9 Posición relativa del pixel OMI más cercano al tecnológico de Antioquia, para cada día de medición incluido en la prueba piloto de mediciones espectrorradiométricas. ...................................................................................................................................... 56 Figura 4.10. Ozono total en columna en la atmósfera del Valle de Aburrá. Curva azul: cuantificado desde superficie por técnicas espectrorradiométricas en el campus Robledo del TdeA. Curva naranja: cuantificado desde la misión Aura de la NASA con su equipo OMI. ............................................................................................................................... 57 Figura 4.11. Error relativo entre el O3 en columna atmosférica cuantificado por OMI desde la misión Aura de la NASA y el derivado de las mediciones espectrorradiométricas realizadas desde la superficie del Valle de Aburrá, en el campus Robledo del TdeA. .. 58 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Generalidades técnicas de la montura MEADE ETX60AT ........................... 29 Tabla 2.2. Características generales del cable de fibra óptica. ..................................... 29 Tabla 2.3. Características generales del espectrómetro HR-2000 de la marca americana Ocean Optics. ................................................................................................................ 30 Tabla 2.4. Características técnicas del instrumento OMI. ............................................. 35 Tabla 2.5. Niveles de procesamiento de datos OMI y productos asociados al O3. ....... 35 Tabla 3.1. Generalidades técnicas de la montura SmartStar Cube – E Series. ............ 41 Tabla 3.2. Características generales del espectrómetro FLAME-S-UV de la marca americana Ocean Insight. .............................................................................................. 42 Tabla 4.1. Cronograma de mediciones espectrorradiométricas piloto en el año 2020 .. 48 Tabla 4.2. Condiciones para mediciones espectrorradiométricas. ................................ 49 Tabla 4.3. Resumen de la estadística descriptiva de las mediciones espectrorradiométricas llevadas a cabo en esta tesis. .................................................. 55 Tabla 4.4. Resultados del monitoreo remoto de la cantidad total de O3 en columna atmosférica en el Valle de Aburrá, durante la prueba piloto de mediciones espectrorradiométricas desde superficie en el TdeA en el año 2020. Datos obtenidos de la aplicación de los algoritmos Dobson y AURA_OMI_L2 Data reading. ....................... 56 Tabla 4.5. Error relativo entre las cuantificaciones ........................................................ 57 del ozono total en columna atmosférica realizadas desde la superficie y desde satélite. ...................................................................................................................................... 57 ABREVIATURAS AMVA Área Metropolitana del Valle de Aburrá A – Train Constelación de satélites de la tarde CCD Dispositivo de carga acoplada DOAS Espectroscopia de Absorción Óptica Diferencial EOS Sistema de observación de la Tierra HIRDLS La Sonda Dinámica de Alta Resolución HDF Hierarchical Data Format IDEAM Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientale MLS La Sonda de Microwave Limb NASA Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio OMI Instrumento de Monitoreo de Ozono SIATA Sistema de Alertas Tempranas del valle de Aburrá Scattering Fenómeno de redistribución espacial de la energía transportada por una onda. La palabra Scattering no tiene una traducción directa al español TXT Archivo de texto simple TdeA Tecnológico de Antioquia TES Espectrómetro de Emisión Troposférica UTC Tiempo universal coordinado UV Radiación ultravioleta U.D Unidades DobsonPregradoIngeniero(a) Ambiental67 páginasapplication/pdfspaTecnológico de Antioquia, Institución UniversitariaFacultad de IngenieríaIngenieria AmbientalMedellínTecnológico de Antioquia, Institución Universitaria, 2020https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessAtribución-NoComercial 4.0 Internacional (CC BY-NC 4.0)http://purl.org/coar/access_right/c_abf2Validación de datos satelitales de ozono a partir de mediciones espectrorradiométricas en superficie en la zona urbana del Valle de AburráTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://purl.org/redcol/resource_type/TPhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85Ozono atmosféricoSatélites artificialesRadiometríaAnálisis de informaciónEspectrorradiometría solar UVMétodo DobsonActa Bioquímica Clínica Latinoamericana. 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