Medición espectral de aerosoles desde el UV hasta el NIR como parte del proyecto MAPP (EURAMET)
Comprender cómo los aerosoles atmosféricos naturales y artificiales impactan en el clima
Los aerosoles atmosféricos surgen de fenómenos naturales, como la sal del rocío marino o la arena de los desiertos.
También surgen de fuentes antropogénicas, incluida la quema de desechos o combustibles fósiles. Dependiendo de su naturaleza, pueden enfriar o calentar la superficie de la Tierra, afectar la formación de nubes y los patrones climáticos. Los instrumentos terrestres pueden ayudar a determinar su naturaleza, pero requieren una mejor metrología para determinar su influencia en el cambio climático.
Desafíos
Reducir la producción de gases de efecto invernadero es esencial para mantener las temperaturas globales por debajo de 1,5 °C por encima de los niveles preindustriales. Sin embargo, los aerosoles atmosféricos también tienen un impacto significativo y aportan la mayor incertidumbre a las estimaciones del cambio climático. Las partículas procedentes de fuentes creadas por el hombre, como la incineración de residuos, tienden a ser oscuras, atrapando el calor y calentando la Tierra. Con excepción de los incendios forestales, los aerosoles naturales, como las partículas sulfúricas volcánicas, son generalmente más blancas y reflejan la luz solar, provocando enfriamiento. Los modelos sugieren que estos últimos han contrarrestado alrededor de la mitad de todos los efectos de los gases de efecto invernadero desde la década de 1880. Por ello han sido reconocidas como “Variables Climáticas Esenciales” por el Sistema Global de Observación del Clima.
Los radiómetros que utilizan técnicas de teledetección proporcionan información sobre cómo todas las partículas de una columna de atmósfera absorben o dispersan la luz. Estos miden la “profundidad óptica del aerosol” (AOD) desde el suelo hasta la “parte superior de la atmósfera” (ToA), donde no existen aerosoles. Se calibran respecto de un valor de ToA que se extrapola a partir de mediciones terrestres, realizadas en lugares de gran altitud durante clima despejado, y luego se reubican en sus sitios de monitoreo operativo, momento en el que se pierde la trazabilidad metrológica.
En 2021 se desarrolló un nuevo espectro de referencia que proporcionó valores de ToA basados en observaciones satelitales: el “Espectro de referencia solar híbrido del sensor de irradiancia solar espectral-1” (TSIS-1 HSRS) con incertidumbres muy reducidas en relación con los espectros solares determinados por satélite anteriores. Esto eliminó la necesidad de realizar extrapolaciones terrestres y abrió la posibilidad de calibrar instrumentos en el laboratorio con mediciones totalmente trazables al SI.
Impacto
Desde hace cuarenta años, Gigahertz-Optik suministra instrumentación, software, conocimientos y soluciones metrológicas de vanguardia para mediciones ópticas en la fabricación de LED, láseres, fotomedicina, sensores de imágenes, aplicaciones solares y de ozono y muchos más.
El sensor BTS que cubre 300 nm – 1050 nm y 950 nm – 2150 nm permitió realizar mediciones espectrales por encima de 1700 nm a las que antes estaba limitado. Gigahertz-Optik ha integrado ahora el nuevo software en este espectrorradiómetro y la empresa agradece al proyecto MAPP, PMOD/WRC y PTB por ayudar a calibrarlo y validarlo para mediciones de AOD. El trabajo realizado ha proporcionado una mayor confianza significativa en la medición de las propiedades radiativas de los aerosoles y su impacto en el clima. Los AOD recuperados mediante instrumentos calibrados en laboratorio también mostraron una excelente concordancia con los radiómetros de filtro pertenecientes a dos redes atmosféricas, con límites de aceptación dentro de los definidos por la Organización Meteorológica Mundial.
Los Institutos Nacionales de Medición de Europa trabajan juntos
El Programa Europeo de Metrología para la Innovación y la Investigación (EMPIR) se ha desarrollado como parte de Horizonte 2020, el Programa Marco de la UE para Investigación e Innovación. La financiación de EMPIR proviene de 28 estados miembros participantes de EURAMET para apoyar la investigación colaborativa entre institutos de medición, el mundo académico y la industria, tanto dentro como fuera de Europa, para abordar los desafíos clave de la metrología y garantizar que la ciencia de la medición esté a la altura del futuro.
Solution
During the MAPP project a 3-week field campaign was carried out with five different types of spectroradiometers at the Izaña Atmospheric Observatory, a high-altitude primary calibration site for extrapolating ToA values due to its stable atmospheric conditions. All instruments had been laboratory calibrated, including a BiTec Sensor (BTS) from project collaborator Gigahertz Optik GmbH. This was calibrated in Gigahertz-Optik’s own ISO 17025 certified laboratory demonstrating a measurement uncertainty of 1% in AOD. During the campaign Gigahertz Optik applied a newly developed algorithm from PMOD/WRC for AOD retrieval, verified at PTB, the National Metrology Institute of Germany.
The retrieved ToA data from all five instruments were compared to the TSIS-1 HSRS, showing 99% agreement and reduced the relative uncertainties of this reference spectrum in the ultraviolet region (308 nm to 400 nm) from 1.3% to 0.8%.
Los instrumentos diseñados para medir aerosoles atmosféricos ahora pueden calibrarse en el laboratorio y transportarse a la zona de su operación. Además de demostrar que se puede mantener la trazabilidad del SI para estos, el conocimiento adquirido también ayudará a disociar los impactos climáticos de los aerosoles atmosféricos de las fuentes naturales y antropogénicas.
A largo plazo, esto también podría ayudar a las propuestas de geoingeniería relacionadas con la inyección de aerosoles específicos en la estratosfera para reducir el calentamiento global actualmente en curso, ya que el éxito de estas dependerá de la cantidad de atenuación solar que se pueda lograr, para lo cual la trazabilidad del SI y la incertidumbre de la medición serán factores cruciales.
El proyecto MAPP de un vistazo:
- Se desarrollaron métodos y dispositivos de calibración para calibraciones de laboratorio y de campo trazables al SI para radiómetros que miden la irradiancia espectral solar y lunar directa y la radiancia del cielo, en el rango espectral de 310 nm hasta 1700 nm con una incertidumbre relativa expandida del 1%.
- Se validaron los métodos para la extrapolación de masas de aire cero mediante mediciones de irradiancia espectral solar terrestres trazables en comparación con espectros solares extraterrestres basados en satélites.
- Se proporcionaron presupuestos de incertidumbre detallados para la profundidad óptica de aerosoles para los tres tipos principales de fotómetros solares que operan en tres redes globales (GAWPFR, AERONET y SKYNET)
- Se desarrolló una nueva instrumentación que incluye una esfera integradora basada en LED que cubre el rango de longitud de onda extendido de 340 nm a 1700 nm y una fuente de radiación portátil sintonizable de banda estrecha.
- Se adaptó y amplió el paquete teórico y de software GRASP, proporcionando estimaciones mejoradas de las incertidumbres para todos los parámetros recuperados de la teledetección terrestre.