Desarrollo y evaluación de técnicas radiométricas de observación de aerosoles y vapor de agua en la atmósfera desde plataformas terrestres

Resumen

La presente tesis doctoral pretende introducir herramientas que permitan aumentar la capacidad observacional de los aerosoles y el vapor de agua en la atmósfera con el fin de contribuir a la mejora de la representación espacio-temporal de estos componentes atmosféricos a nivel global/regional y la estimación de sus tendencias. Esta labor será desarrollada haciendo uso de observaciones multi-plataforma capaces de incrementar la cobertura y la disponibilidad de información relevante de los aerosoles atmosféricos y vapor de agua desde el punto de vista científico. En este trabajo se analiza, en primer lugar, la intercomparabilidad y consistencia de las dos principales redes de observación de los aerosoles atmosféricos establecidas a nivel global, GAW-PFR (Global Atmosphere Watch - Precision Filter Radiometer) y NASA-AERONET (National Aeronautics and Space Administration - AErosol RObotic NETwork). Estas dos redes se han implementado con el fin de obtener la distribución espacio-temporal del espesor óptico de los aerosoles (AOD de las siglas en inglés de "Aerosol Optical Depth") y una estimación de su tamaño mediante el Exponente de Ångström (AE). La consistencia e intercomparabilidad de las dos redes se llevó a cabo en el Observatorio Atmosférico de Izaña, que es un centro de calibración absoluta de ambas redes y banco de pruebas de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación (CIMO) de la Organización Meteorológica Mundial (WMO de las siglas en inglés de "World Meteorological Organization") para instrumentos de teledetección de aerosoles y vapor de agua. En dicho análisis se pudo comprobar que, a pesar de las marcadas diferencias técnicas entre ambas redes, el AOD obtenido en las bandas espectrales de 440, 500 y 870 nm por medio del fotómetro Cimel CE318, utilizado como referencia en la red AERONET, cumplía con los requerimientos de trazabilidad establecidos por la WMO, que toma como referencia la red GAW-PFR. A continuación, y como una segunda parte de la presente tesis doctoral, se desarrollaron dos dispositivos instrumentales: los radiómetros ZEN-R que miden la radiancia de cielo en dirección cenital (ZSR), y que están caracterizados por su simplicidad y robustez al carecer de partes móviles. El primero de estos desarrollos, el ZEN-R41, fue el primer prototipo destinado sólo a la medida de aerosoles en la columna atmosférica, mientras que el segundo desarrollo, el ZEN-R52, es una versión mejorada que permite además obtener el vapor de agua precipitable (PWV, de las siglas en inglés de "Precipitable Water Vapour") gracias a la inclusión de un canal óptico adicional en la banda espectral centrada en 940 nm. Para hacer posible este sistema de observación relativamente simple, hubo que desarrollar la metodología necesaria para la obtención del AOD (ZEN-AOD-LUT) y del PWV (ZEN-PWV-LUT), a partir de las medidas de ZSR. Este procedimiento está basado en tablas de consultas (LUT, de las siglas en inglés de "Look-up-table") y fue evaluado a priori a partir de medidas de ZSR del fotómetro Cimel CE318 en tres estaciones caracterizadas por la presencia de polvo mineral pero de características atmosféricas muy diferentes (Izaña, Tamanrasset y Santa Cruz de Tenerife), obteniéndose resultados muy satisfactorios. En un segundo paso, el sistema ZEN, compuesto por el radiómetro ZEN-R y la mencionada metodología LUT asociada, se evaluó en el Observatorio Atmosférico de Izaña, demostrando la viabilidad del mismo como herramienta de teledetección de aerosoles y vapor de agua suficientemente precisa para ser utilizado en redes desplegadas en zonas remotas y escasamente cubiertas por las actuales redes de teledetección terrestres. Esta última aplicación puede proporcionar información complementaria clave para entender los procesos de emisión de polvo desértico y para mejorar las redes actuales de alerta temprana, entre las que se encuentra el sistema de aviso y evaluación de tormentas de arena y polvo de la WMO (SDS-WAS, en sus siglas en inglés de "Sand and Dust Warning Advisory and Assessment System").