Estudio de los aerosoles atmosféricos a partir de datos obtenidos de la Estación Montevideo_FING de la red internacional AERONET (NASA)

Abstract

Uruguay se ve afectado por la presencia de aerosoles de diversos orígenes y conocer sus características permite establecer su posible impacto en la salud humana, el tiempo de permanencia en la atmósfera y profundizar estudios sobre la Física y Química de la atmósfera, entre otros. La Universidad de la República firmó en 2018 un Convenio de Cooperación con la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) para que el Grupo de Óptica Aplicada (GOA) participe en la red internacional AERONET (Aerosol Robotic Network). Los objetivos científicos de la NASA incluyen obtener una comprensión más detallada de los fenómenos que causan los cambios atmosféricos globales, con especial énfasis en la investigación del clima y la evaluación de la calidad del aire. Para estos fines, la NASA ha establecido una red global de fotómetros solares para medir, entre otros parámetros, las propiedades ópticas de los aerosoles. AERONET proporciona las mediciones científicas necesarias y es fundamental para la validación de datos satelitales de aerosoles, nubes y otras mediciones. Para cumplir con este objetivo, la NASA entregó al GOA un fotómetro CIMEL que opera desde la Estación de Monitoreo Atmosférico ubicada en el edificio principal de la Facultad de Ingeniería. Es en este marco que se desarrolla esta maestría en Ingeniería-Física, cuyo objetivo fue profundizar en el estudio de los aerosoles atmosféricos observados sobre Montevideo y el territorio nacional y explorar la posibilidad de combinar los datos obtenidos del fotómetro CIMEL con los de un Equipo MAX-DOAS que adquiere espectros solares en el UV y visible en continuo situado junto al CIMEL. En el marco de esta Tesis se instaló el equipo CIMEL y se denominó Montevideo_FING a este nodo de AERONET. El objetivo principal fue comprender los algoritmos utilizados en las medidas de radiación directa. Inicialmente se estudiaron los fundamentos físicos de la interacción de la radiación con los aerosoles atmosféricos. Luego se profundizó en la metodología y los algoritmos de AERONET para determinar todos los parámetros relacionados con las medidas de radiación directas. Además, se utilizaron otras dos fuentes de datos. Por un lado, la Espectroscopía de Absorción Óptica Diferencial (Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS) del instrumento MAX-DOAS que se encuentra junto al fotómetro CIMEL y por otro lado, el modelado de parcelas de masas de aire utilizando el Modelo Híbrido Integrado de Trayectoria Lagrangiana de Una Sola Partícula (Hybrid Single- Particle Lagrangian Integrated Trajectory model, HYSPLIT), programa de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de Estados Unidos (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA). En el marco de este trabajo también se realizó un análisis estadístico de los datos obtenidos del nodo Montevideo_FING de AERONET durante los años 2020 y 2021. Como resultado de este análisis se encontraron ciclos anuales de los aerosoles finos asociados a la quema de biomasa, así como un comportamiento característico relacionado con la dirección del viento. Por último, se estudió un evento particular de quema de biomasa que ocurrió a más de 800 km de Montevideo y cuyas emisiones pudieron ser observadas en el nodo Montevideo_FING, encontrándose una diferencia notable entre los niveles de los parámetros correspondientes al día que la pluma llegó a Montevideo (24/11/2020) y una ventana de 30 días. Se analizaron los parámetros que describen los aerosoles: AOD (espesor óptico de aerosoles), fracción de finos, exponente de Angstrom, en una ventana de 30 días centrada en el evento (24/11/2020). Se realizó un modelo del transporte de masas de aire mediante HYSPLIT para comparar las trayectorias de las parcelas con la pluma visible mediante imágenes satelitales y análisis DOAS de diferentes gases. También se confirmó con los datos de AOD del Multi-Angle Implementation of Atmospheric Correction (MAIAC) de la NASA, obteniéndose un comportamiento similar y observándose un máximo el día evento. Mediante espectroscopia DOAS remota se pudo determinar que el 24/11/20200, las diferencias entre las columnas de O4 para las distintas direcciones de observación fueron menores a las usuales, estando este resultado muy relacionado con la presencia una gran carga de aerosoles. Se realizó un estudio exploratorio de las columnas de los gases dióxido de nitrógeno y formaldehído. El primero no mostró un comportamiento inusual el día del evento en comparación a la ventana de referencia. Sin embargo, el formaldehído mostró valores columnas más altas que el promedio en la ventana estudiada, tanto el día del evento como el posterior. Esto es coherente con las mediciones de los mismos gases obtenidos a través del instrumento TROPOMI del satélite Sentinel-5P. Otro resultado importante de esta Tesis es que se encontró una condición que permite identificar cuando los aerosoles presentes en la atmósfera tienen su origen en la quema de biomasa (quema de grandes extensiones). La condición encontrada se basa en el valor umbral de 0.48 ± 0.01 del AOD @340nm, de 0.68 ± 0.03 de fracción de finos @500nm y un exponente de Angstrom mayor a 1.22 ± 0.08 simultáneamente. Si los valores de esos parámetros son superiores a ese umbral, indican la presencia de aerosoles provenientes de la quema de biomasa.

Uruguay is affected by the presence of aerosols of various origins and knowing their characteristics allows establishing their possible impact on human health, the time spent in the atmosphere, and deepening studies on the Physics and Chemistry of the atmosphere, among others. The Universidad de la República signed a Cooperation Agreement with the National Aeronautics and Space Administration (NASA) in 2018 in order for the Applied Optics Group (GOA) to participate in the international AERONET network (Aerosol Robotic Network). NASA’s science goals include gaining a more detailed understanding of the phenomena that cause global atmospheric changes, with special emphasis on cli- mate research and air quality assessment. To these ends, NASA has established a global network of sun photometers to measure, among other parameters, the optical properties of aerosols. AERONET provides the necessary scientific measurements and is essential for the validation of satellite data of aerosols, clouds and other measurements. To meet this objective, NASA provided the GOA with a CIMEL photometer that operates from the Atmospheric Monitoring Station located in the main building of the Faculty of En- gineering. It is within this framework that this master’s degree in Engineering-Physics takes place, whose objective was to deepen the study of atmospheric aerosols observed over Montevideo and the national territory and explore the possibility of combining the data obtained from the CIMEL photometer with those of a MAX-DOAS equipment that acquires solar spectra in the UV and visible continuously located next to the CIMEL. Within the framework of this Thesis, the CIMEL equipment was installed and this AE- RONET node was called Montevideo_FING. The main objective was to understand the algorithms used in direct radiation measurements. Initially, the physical foundations of the interaction of radiation with atmospheric aerosols were studied. Then, the AERONET methodology and algorithms were deepened to determine all the parameters related to direct radiation measurements. In addition, two other data sources were used. On the one hand, the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) of the MAX-DOAS instrument that is located next to the CIMEL photometer and on the other hand, the modeling of air mass plots using the Integrated Hybrid Trajectory Model Hybrid Single- Particle Lagrangian Integrated Trajectory model (HYSPLIT), program of the National Oceanic and Atmospheric Administration of the United States (NOAA). Within the fra- mework of this work, a statistical analysis of the data obtained from the AERONET Montevideo_FING node was also carried out during the years 2020 and 2021. As a result of this analysis, annual cycles of fine aerosols associated with biomass burning were found, as well as a characteristic behavior related to the direction of the wind. Finally, a particular biomass burning event was studied that occurred more than 800 km from Montevideo and whose emissions could be observed in the Montevideo_FING node, finding a notable difference between the levels of the parameters corresponding to the day the plume reached Montevideo (11/24/2020) and a 30-day window. The parameters that describe the aerosols were analyzed: AOD, fine fraction, Angstrom exponent, in a 30-day window centered on the event (11/24/2020). An air mass transport model was performed using HYSPLIT to compare the trajectories of the plots with the visible plume using satellite imagery and DOAS analysis of different gases.It was also confirmed with the AOD data from NASA’s Multi-Angle Implementation of Atmospheric Correction (MAIAC), obtaining a similar behavior and observing a ma- ximum on the day of the event. Using remote DOAS spectroscopy, it was possible to determine that on 11/24/2020, the differences between the O4 columns for the different observation directions were less than usual, this result being closely related to the presence of a large aerosol load. An exploratory study of the columns of nitrogen dioxide and formaldehyde gases was carried out. The first did not show unusual behavior on the day of the event compared to the reference window. However, formaldehyde showed column values higher than the average in the studied window, both on the day of the event and the day after. This is consistent with measurements of the same gases obtained through the TROPOMI instrument on the Sentinel-5P satellite. Another important result of this Thesis is that a condition was found that allows identifying when the aerosols present in the atmosphere have their origin in the burning of biomass (burning of large areas). The condition found is based on the threshold value of 0.48 ± 0.01 of the AOD @340nm, of 0.68 ± 0.03 of the fine fraction @500nm and an Angstrom exponent greater than 1.22 ± 0.08 simultaneously. If the values of these parameters are higher than this threshold, they indicate the presence of aerosols from biomass burning.