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Forzamiento radiativo del carbono negro
Xochitl Cruz Núñez
Grupo de cambio climático y radiación solar
CCA UNAM
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
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
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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
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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
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Otros datos
• Albedo Superficial: AERONET (NASA)
• Profundidad Óptica de los Aerosoles: AERONET nivel 1.5
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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))
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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
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Cálculo del Forzamiento Radiativo
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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
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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