Forzamiento radiativo del carbono negro

Xochitl Cruz Núñez

Grupo de cambio climático y radiación solar

CCA UNAM

Fuente: NASA

Contribución al derretimiento de los polos

Forzamiento radiativo

Potencial de calentamiento global

Bond and Sun (2005) GWPCN (100 años) = 680Forster et al (2007) GWPCN (100 años) = 510Reddy and Boucher (2007) Concluyeron que el GWPCN debe tratarse de manera regional.

Así:

GWPCN Europa (100 años) = 374GWPCN África (100 años) = 677

Las diferencias regionales en el GWP reflejan las diferencias en la vida media del carbono negro que a su vez se deben a las diferencias en la eficacia

regional del depósito húmedo

El efecto del carbono negro sobre el albedo en la nieve genera un potencial global indirecto que puede

sinergizar el valor del GWPCN y llevarlo hasta un valor de 1600 (Reddy y Boucher, 2007)

Transferencia radiativa

• Es la transferencia de la energíaelectromagnética a través de un medio

• Hay cuatro procesos :o Transmisióno Absorcióno Reflexióno Dispersión

Tyndall, A. (2000) Is SBDART on target: An analysis of the radiative transfer model to observations. Recuperado de http://www.powershow.com/view/1194a1-ZTgzN/Is_SBDART_on_Target_An_Analysis_of_the_Radiative_Transfer_Model_to_Observations_powerpoint_ppt_presentation

1. La radiación solar incidela partícula

2. Reflexión

3. Dispersión

4. Absorción

5. Transmisión comoradiación infrarroja

Componentes de la transferencia radiativa

Tyndall, A. (2000) Is SBDART on target: An analysis of the radiative transfer model to observations. Recuperado de http://www.powershow.com/view/1194a1-ZTgzN/Is_SBDART_on_Target_An_Analysis_of_the_Radiative_Transfer_Model_to_Observations_powerpoint_ppt_presentation

OPAC (Optical properties of aerosols and clouds)Hess et al., 1998

• Calcula propiedades ópticas de las partículas en el rango

espectral terrestre y solar :

• Coeficientes de extinción, dispersión y absorción

• Parámetros de asimetría y función de fase

• Usa las propiedades microfísicas de seis tipos de nubes de

agua, tres de hielo y 10 componentes de aerosoles

• Datos para hasta 61 longitudes de onda entre 0.25 y 40 nm y

diferentes humedades relativas

• También se estiman los coeficientes de ängstrom

Generalidades

• Componentes individuales de los aerosoles y nubes,

describen las propiedades radiativas del total de:

o Partículas de aerosoles

o Gotas de agua

o Cristales de hielo en la atmósfera

Modelados con la Teoría de Mie

Modelado con óptica geométrica asumiendo formas de columnas hexagonales en el rango solar y esferas en el espectro terrestre

OPAC (Optical properties of aerosols and clouds)Hess et al., 1998

Categorías de los aerosoles

Insolubles en agua

Compuestos orgánicos no polares

Solubles en agua

Sulfatos, nitratos, compuestos orgánicos

polares, etc.

Hollín

Carbono negro

Componentes sulfato

Sulfatos encontrados en los aerosoles antárticos

o como fondo estratoférico para

cálculo de AOD

Componentes de aerosoles

Propiedades ópticas modeladas

• Coeficiente de extinción

• Profundidad óptica de los aerosoles

• Coeficiente ängstrom

• Albedo de dispersión simple

• Parámetro de asimetría

• Visibilidad

SBDART (Santa Barbara DISORT AtmosphericRadiative Transfer program)Ricchiazzi et al., 1998

13

SBDART

Calcula la transferencia radiativa

Condiciones de cielo despejado

Datos de entrada:

Albedo de dispersión simple

Parámetro de asimetría

Exponente Angström

Profundidad óptica de los aerosoles

Datos de salida:Radiación top-down, top-up, bottom-up, bottom-

down

Metodología

o Se desarrolló una metodología para evaluar el forzamiento radiativo del

carbono negro

o Se aplicó para la Ciudad de México en los años 2015 y 2016

o Se intentó aplicar a otras ciudades mexicanas con datos de CN

• Obstáculos

o Mediciones recientes y con defectos

o Falta de mediciones de otros componentes

o Ausencia de datos de percepción remota (Aeronet)

Datos de las concentraciones de carbono negro

• Red Nacional de Carbono Negro

o PAX (Photoacoustic Extinctiometer): estación del Centro de Ciencias de

la Atmósfera de la UNAM, en Ciudad Universitaria

o Datos depurados

• Obtención de valores promedio mensuales

15

Sitios de mediciones de carbono negro

Red Nacional del Carbono Negro

(al año 2016)

Ciudad Universitaria,

Ciudad de México

Juriquilla, Querétaro

Altzomoni, Estado de México

Monterrey, Nuevo León

Guadalajara, Jalisco

Concentraciones de carbono negro, Estación CU

Fuente: Gráficas propias con datos de la Red Nacional de Carbono Negro.

Datos meteorológicos

• Servicio de Monitoreo Atmosférico de la Ciudad de Méxicoo Red de Meteorología y Radiación Solar (REDMET): estación PED

(Pedregal) No. 484090100127

• Porcentaje de humedad relativa

• Temperatura

• Velocidad del Viento• Comisión Nacional del Agua y el Servicio Meteorológico Nacional

o Precipitación mensual acumulada• Obtención de valores promedio para los tres períodos estacionales

18

Otros datos

• Albedo Superficial: AERONET (NASA)

• Profundidad Óptica de los Aerosoles: AERONET nivel 1.5

19

OPAC

Se determina la concentración de carbono

negro

Se selecciona el porcentaje de humedad relativa

Se utilizan los valores iniciales de la mezcla de

aerosoles para ambientes urbanos

Se realiza la primera corrida

Se comparan los valores obtenidos de AOD a 500

nm y los exponentes ängstrom (calculados vs

observados)

Se modifican los valores de las concentraciones de los componentes de la mezcla

(excepto la de carbono negro)

Se realizan corridas iterativas hasta que los

valores computados sean congruentes con los observados (AOD y

exponente ängstrom)

Se realiza otra corrida con las concentraciones fijas de

los componentes de la mezcla de aerosoles y se fija el carbono negro en

cero

Se calcula un nuevo exponente Angström (log(λ) vs log(AOD))

20

SBDART

Introducir: valor del exponente ängstrom, valor de albedo superficial, parámetros de asimetría, albedos de dispersión simple y AOD

Seleccionar el perfil atmosférico tropical

Cálculos realizados por triplicado para atmósfera con aerosoles y carbono negro, atmósfera con aerosoles sin carbono negro y atmósfera sin aerosoles

21

Cálculo del Forzamiento Radiativo

22

FR en la parte alta de la atmósfera (TOA):

Top-up sin aerosoles – Top-up con aerosoles = Forzamiento TOA

FR en la superficie (FRs):

(Bottom-down – bottom-up) con aerosoles –(bottom-down – bottom-up)sin aerosoles = FRs

FR en la atmósfera (FRa):

FR TOA –FRs = FRa

FRa con carbono negro – FRa sin carbono negro = FR CN

Comparación Aeronet vs OPAC

23

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 200 400 600 800 1000 1200

AO

D

λ (nm)

Febrero (2015) AERONET

Febrero (2015) OPAC

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 200 400 600 800 1000 1200

AO

D

λ (nm)

Agosto (2015) AERONET

Agosto (2015) OPAC

Comparación Aeronet vs OPAC

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 200 400 600 800 1000 1200

AO

D

λ

Diciembre (2015) AERONET

Diciembre (2015) OPAC

Forzamiento radiativo del carbono negro

25

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Fo

rza

mie

nto

Ra

dia

tiv

o

(W∙m

2)

Mes

2015 2016

Carbono negro, CO y PM2.5

26

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

BC

(u

g/m

3)

CO (ppm)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100 120 140

BC

(u

g/m

3)

PM 2.5(ug/m3)

R = 0.643

R = 0.462

Ciudad de México vs el resto del mundo

27

LocalidadConcentración de Carbono Negro

(µg∙m-3)

Forzamiento Radiativo del

Carbono Negro (W∙m-2)

Sur del Valle de México, México a 2.31 - 2.77 +14.6 – +46.8

Kanpur, India b 6 – 20 +71

Meseta Tibetanac 15.0- 16.7 +15.6

Bangalore, Indiad 4.2 +28

Nueva Delhi, Indiae 4 – 15 +115

Visakhapatnam, Indiaf 0.43 – 8.01 +44.178

China (regional promedio) g 1- 9 +1.22

Beijing, Chinah No reportado +58.39

El Cairo, Egiptoh No reportado +13.29

Laosh No reportado +20.1

Los Ángeles, EUAh No reportado +15.05

Manila, Filipinash No reportado +8.77

Nueva York, EUAh No reportado +20.45

Sao Paulo, Brasilh No reportado +24.94

Shanghai, Chinah No reportado +44.54

a Trabajo actual, b. Tripathi, 2005, c. Kopacz et al., 2010, d. Babu, Satheesh, & Moorthy, 2002, e Singh et al., 2010, f Sreekanth, Niranjan & Madhavan, 2007, g Li, Liao, Mao & Ridley, 2016,

h Dang & Unger, 2015

Gracias!