Masiva irrupción de polvo sahariano del 7 de marzo de 2005

Algunas consideraciones divulgativas sobre los conceptos de espesor óptico y la profundidad óptica de aerosoles. RAM: Agradecimientos. A D. Emilio Cuevas, Director del Observatorio Atmosférico de Izaña (OAI), del Instituto Nacional de Meteorología (INM), y a investigadores del OAI por sus comentarios sobre el espesor óptico y profundidad óptica. Gracias a ellos este artículo ha quedado sumamente realzado.

Palabras clave. Polvo, espesor óptico, profundidad óptica, aerosoles, productos de polvo, modelos, MSG.

Imagen compuesta RGB de polvo (rosa y rosa tenue) generada a partir de tras canales del satélite MSG-1 para el 9 de marzo a las 12 UTC. Fuente EUMETSAT

Las irrupciones de polvo desde el Sahara constituyen un hecho relativamente común en nuestro territorio dada nuestra proximidad al norte de África donde se encuentra uno de los desiertos más grandes y áridos del mundo. Cuando las condiciones sinópticas son apropiadas, estas irrupciones pueden atravesar el Atlántico y llegar a las costas americanas. Los efectos pueden ser tales que pueden dificultar seriamente el tráfico aéreo, perjudicar el ciclo de vida de los arrecifes coralinos, provocar una alteración en la actividad de los desarrollos de ciclones marítimos en la zona tropical, modificar la temperatura de la atmósfera por forzamiento radiativo, etc. Estas intrusiones de masas de aire con alto contenido en partículas provocan, en regiones pobladas, frecuentes episodios de contaminación por aerosoles haciendo que las concentraciones de éstos superen los umbrales establecidos por la Directiva Europea. En estas ocasiones suelen provocar serios problemas en la salud, sobre todo en aquellas personas con problemas respiratorios y de alergias. Zonas como Canarias, la península Ibérica, y otros países ribereños del Mediterráneo, e incluso países como Rusia, Bielorrusia, etc., se pueden ver afectados por el transporte de este aerosol de origen sahariano. De la misma forma los desiertos de Arabia, Irán y Gobi pueden generar y recibir material suspendido de desiertos circundantes.

La situación sinóptica de los días 7 al 10 de marzo fue propicia para generar unas irrupciones masivas de polvo que llegaron a afectar desde las islas Canarias y Cabo Verde a zonas tan distantes como Turquía, Arabia y Rusia. Los causantes meteorológicos fueron un conjunto de altas y bajas que generaron unas “cintas transportadoras de polvo” desde la zona origen y fuente del polvo a zonas muy lejanas en niveles bajos-medios. Lo llamativo de esta situación es que la irrupción de polvo fue tan extensa que cubría gran parte del campo de visión septentrional del satélite geoestacionario del Meteosat. La alerta se disparó en Canarias por la gran cantidad de partículas en suspensión que quedó confinada en niveles bajos.

No se pretende realizar un estudio de esta situación; tan sólo mostrar algunos campos de modelos e imágenes de satélites relativas a esta fechas y conocer algo más sobre ciertos parámetros relativos a aerosoles y del polvo, en particular.

Antecedentes

Una zona de altas presiones en todos los niveles al oeste de Lisboa y una borrasca en el centro del Mediterráneo se conformaban como los dos centros de acción más importantes para establecer un flujo amplio y persistente en niveles medios-bajos que favorecía el entorno sinóptico para una masiva irrupción de polvo en diversos puntos de África y zonas limítrofes. Al suroeste de Canarias una baja en diferentes niveles condicionaba el flujo local en la zona, que junto con el anticiclón anteriormente mencionado mandaban el aire de origen sahariano a las islas afortunadas.

Polvo en suspensión: el espesor óptico y profundidad óptica

Es muy interesante analizar y predecir el espesor óptico y la profundidad óptica en las irrupciones de polvo sahariano, así como las concentraciones de polvo en suspensión a nivel de superficie. Los modelos numéricos de predicción del tiempo, las medidas radiométricas realizadas desde satélites y desde la superficie de la tierra son herramientas fundamentales para alertar de estas tormentas gigantes de polvo. Algunos conceptos avanzados y parámetros empleados por los predictores del tiempo y autoridades de protección civil se matizarán en las siguientes líneas gracias a los comentarios de D. Emilio Cuevas, Director del Observatorio Atmosférico de Izaña del INM y uno de los lugares punteros en investigación y desarrollo de técnicas de seguimiento de polvo sahariano y de aerosoles en general.

Conceptos básicos

“El espesor óptico de aerosoles en inglés es “Aerosol Optical Depth” (AOD) o “Aerosol Optical Thickness” (AOT). El primero es más utilizado por las redes de observación desde Tierra y el segundo por la comunidad de satélites, aunque es exactamente lo mismo.

A partir de la medida de la irradiancia solar directa se puede obtener el espesor óptico total de la atmósfera ?????, a partir de la ley de Lambert-Bouguer-Beer:

F( ?) = F0 (? ) exp(- ?( ?)m)

siendo F0(?) la irradiancia en el límite exterior de la atmósfera, corregida diariamente por el factor distancia Tierra-sol; m es la llamada masa óptica, que representa el camino óptico de la radiación solar al atravesar la atmósfera. Eliminando del espesor óptico total la contribución debida al “scattering” de Rayleigh ?R, y la absorción de otros gases atmosféricos ?g, obtendríamos el espesor óptico experimental de aerosoles ?a, que se representa habitualmente con las siglas AOD o AOT:

?a(? )= ?(? ) - ?R(? ) - ?g(? )

Para que esto sea efectivo, el contenido vertical de los diferentes gases atmosféricos tiene que ser conocido: contenido en ozono, vapor de agua, etc., en la región espectral de interés. El ozono es obtenido a través de los datos de espectrofotómetros desde tierra (Dobson o Brewer) o bien desde instrumentos satelitales (TOMS, GOME, OMI, Schiamachy, etc.) pero generalmente no hay datos de vapor de agua en la columna atmosférica. Por esta razón es por lo que se calcula el espesor óptico de aerosoles sólo en las ventanas de no-absorción por parte de los gases atmosféricos. Así, bastaría eliminar del espesor óptico total el debido al scattering de Rayleigh.

El AOD se calcula para cada longitud de onda y es una medida cuantitativa del contenido total de aerosoles en la columna atmosférica ya que las medidas desde Tierra se realizan mediante fotometría solar.

Normalmente cuando se habla de AOD o AOT nos referimos a una longitud de onda en el visible (entre 420 y 550 nm) ya que los AOD calculados en ese rango de longitudes de onda es muy similar. Los valores de AOD en UV e IR son muy diferentes.

El “optical depth” se refiere a la extinción óptica total de todo tipo, incluyendo Rayleigh, ozono y vapor de agua.

Se mide de forma continua AOD en el Observatorio de Izaña desde 1996, aunque a partir de 2001 este Observatorio pertenece a una red de excelencia del programa VAG (Vigilancia Atmosférica Global) con un PFR (Precission Filter Radiometer) desarrollados en el World Radiation Center (Observatorio de Davos, Suiza), el fotómetro solar más preciso y estable que existe actualmente. En relación a este programa la red VAG pretende detectar tendencias a largo plazo del AOD. En el mapa siguiente podéis ver las estaciones y enftp://ftp.ei.jrc.it/pub/WDCA/NARSTO_archive/2.301/parameters/Aerosol_Optical_Depth/ os podéis bajar los datos de AOD de éstas estaciones.

Red VAG de medida de AOD con fotómetros de alta precisión PFR. Figura del World Radiation Center.

También el Observatorio de Izaña es centro de calibración solar de Photons/Aeronet (AERONET (AErosol RObotic NETwork; http://aeronet.gsfc.nasa.gov/ ; PHOTONS: (“PHOtométrie pour le Traitement Opérationnel de Normalisation Satellitaire”, www-loa.univ-lille1.fr/photons) y mantiene permanentemente dos fotómetros solares Cimel en Izaña y otro en Santa Cruz con los que determinamos AOD y la distribución de tamaños de los aerosoles. Próximamente instalarán otro fotómetro Cimel en Tamanrasset (sur de Argelia), precisamente para realizar un mejor seguimiento de las intrusiones de aire sahariano, así como validar AOD medido desde satélites y calculado mediante modelos.

Elige en http://aeronet.gsfc.nasa.gov/data_menu.html el google Earth format y podrás hacer una visita a éstas estaciones.

Los datos de AOD de la red AERONET/CIMEL están disponibles en tiempo casi real aproximadamente una hora después de ser medidos (Versión 1.0). Los datos de los Rimel de Canarias se pueden ver en:

Izaña: http://aeronet.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/type_one_station_opera_v2?site=Izana&nachal=2&level=1&place_code=10

Santa Cruz de Tenerife: http://aeronet.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/type_one_station_opera_v2?site=Santa_Cruz_Tenerife&nachal=2&level=1&place_code=10

En “additional site information” se pueden ver fotos de los emplazamientos.Se pueden bajar todos los datos que quieras de forma libre sin más que rellenar un formulario, y datos casi totalmente corregidos (95%) después de 24 horas (V 1.5). Las estaciones AERONET/CIMEL están conectadas vía satélite con el Goddard Space Flight Center (NASA), centro que almacena y procesa la información.

Desde julio de 2005 el Observatorio Atmosférico de Izaña determina perfiles verticales de AOD con un “Micropulse Lidar” que está integrado en la red de NASA MPL-Net (http://mplnet.gsfc.nasa.gov/). Se pueden ver sus datos diariamente en esa web entrando en “Data” o de forma más directa en www.calima.ws/lidar. En el apartado “Resultados” encontraréis una descripción de esta intrusión.

Los modelos de predicción de polvo suelen proporcionar AOD (contenido total en al columna) y polvo en superficie. El Observatorio Atmosférico de Izaña realiza la validación de AOD del modelo DREAM del “Barcelona Supercomputing Center” –BSC- (http://www.bsc.es/projects/earthscience/DREAM/ ). En www.calima.ws podréis ver el informe de la predicción que se realizó para esta intrusión utilizando varios modelos de predicción de polvo (en el apartado “Base de Datos de Predicciones”).

Mapas asociados a la irrupción de polvo

Como se ha comentado anteriormente el AOD es una medida de la concentración de aerosoles en columna, que si la particularizamos a cada uno de ellos, tendremos el AOD total, de polvo, sulfatos, etc. Los mapas que os mostramos nos dan dicha concentración referida a las longitudes de onda de 550 nm que corresponden al espectro visible. Nótese en todos los mapas la extensión asociada al polvo en la zona del Sahara y zonas limítrofes, tanto en sus valores de espesor óptico como de concentración de partículas en superficie.

Paneles globales de espesor óptico de aerosoles (AOD). Panel superior izquierdo, total para los compones: sulfatos, polvo mineral y por quema de biomasa.Inferior izquierdo: de polvo mineral. Superior derecho: de los sulfatos. Inferior derecho: de aerosoles por quema de biomasa. Ver en cada panel la escala adimensional asociada para el día 7 de marzo de 2006 a las 12 Z. Todos están referidos a la longitud de onda de 0.55 um. Fuente NAAPS.

Más cercano al usuario son los valores de las concentraciones de aerosoles en g, mg o um por m2 o m3, según se refieran a superficies o volúmenes, como se dan en los siguientes mapas.

Cobertura nubosa total, imagen superior, y carga de polvo junto con los viento a 3000 m de altura para el 7 a las 12 UTC, según el modelo de BSC/DREAM. Fuente BSC/DREAM de Barcelona.
Ídem que en caso anterior pero los paneles de aerosoles procedente de quema de biomasa, polvo y sulfatos no están referidos a la profundidad óptica sino a concentración por m3 de aerosoles, en las unidades y escalas que se observan en la cabecera de cada panel y para el día 8 de Marzo de 2006 a las 00 UTC. Fuente NAAPS. Nótese la extensión de las altas concentraciones de polvo por metro cúbico que van desde Turquía hasta Canarias.

Como podemos observar de los análisis y predicciones de los modelos, las zonas saharianas, sub-saharianas, islas atlánticas orientales y algunos países europeos del este (no mostrados aquí) se vieron afectados por esta masiva irrupción de polvo de grandes proporciones. Veremos cómo esto se reflejaba en las imágenes de satélites.

Imágenes de satélite

Los satélites MSG y TIROS, geoestacionario y polar, respectivamente, observaron pasivamente esta masiva irrupción. Las técnicas que no emplean medidas activas de radar se basan preferentemente en la señal visual que deja el polvo sobre tierra y especialmente sobre el mar al contrastar las partículas en suspensión blanquecinas sobre un fondo oscuro como son las aguas marinas en las imágenes VIS e IR. La combinación adecuada de canales, mediante técnicas RGB, nos permiten resaltar estas características hasta extremos llamativos. EUMETSAT y la Universidad de Dundee generan estas imágenes en falso color como veremos seguidamente.

Imagen RGB (VIS0.6, VIS0.8 y NIR1.6) del 7 a las 12 UTC. Fuente, Universidad de Dundee. Copyright EUMETSAT

El polvo aparece al este de Canarias como un sistema de apariencia lechosa, que enturbia el fondo oscuro del mar. Las nubes se retiran por la sequedad de la irrupción sahariana. Se observan vórtices de von Karman a sotavento de las islas, allí donde el flujo en capas bajas sigue siendo del NE y húmedo. La irrupción del este, seca y cálida erosiona la nubosidad baja y la elimina progresivamente.

Imagen VIS0.6 del 8 a las 12 UTC. Fuente, Universidad de Dundee. Copyright EUMETSAT

La entrada se hace más patente el día 8 cuando se observan las zonas marítimas del Atlántico, al oeste de África. Se aprecia como el polvo ha penetrado más allá de Canarias y Cabo Verde, adentrándose y conducido por una borrasca en altura que se sitúa al suroeste de Canarias. La invasión de aerosol sahariano se está produciendo desde las costas marroquíes hasta más al sur de Mauritania.

Imagen de análisis de polvo (“Dust”) del 9 a las 12 UTC generada en EUMETSAT usando una combinación de canales del MSG y técnicas RGB. Fuente y Copyright EUMETSAT
Imagen equivalente a la anterior generada por solo tres canales básicos con la técnica RGB del 9 a las 12 UTC. Fuente, Universidad de Dundee. Copyright EUMETSAT
Imagen VIS0.6 del 9 a las 18 UTC, nótese como esta anocheciendo por el este y los contrastes de grises aparecen aumentados. Fuente, Universidad de Dundee. Copyright EUMETSAT

El día 9, la imagen de la 18 UTC del MSG-1 en el canal VIS0.6 nos ofrecía la anterior y espectacular imagen con medio campo de visión del MSG ya oscurecido por el manto nocturno.

Imagen en falso color de tres canales con la técnica RGB del 10 a las 12 UTC. Fuente, Universidad de Dundee. Copyright EUMETSAT
Imagen del TIROS-NOAA de 10 a las 1518Z.

La irrupción de polvo en Canarias

En las siguientes figuras disponemos de los datos de espesor óptico medidos en estaciones de Izaña, observatorio de montaña, y en la capital de Santa Cruz de Tenerife Tenerife.

Masiva Irrupción De Polvo Sahariano Del 7 De Marzo De 2005
Espesores ópticos de aerosoles para las estaciones medidoras de Izaña, arriba y a más de 2365 m de altura, y Santa Cruz de Tenerife, abajo y a 52 m. Fuente de los datos Observatorio Atmosférico de Izaña, INM.

Se observa que la irrupción de polvo comenzó el día 7, como queda puesto de manifiesto en el panel diario inferior izquierdo, con un pico muy acusado. Posteriormente, entre el 8 y el 9 la concentración de polvo disminuyó. Por el contrario, la irrupción a nivel del observatorio de Izaña fue menor, panel superior izquierdo, lo que muestra en parte que la entrada sahariana con material en suspensión quedó comprendida y confinada en una capa de niveles bajos.

Conclusiones

Las irrupciones de polvo sahariano pueden poner en marcha cantidades ingentes de aerosoles y partículas en suspensión que, bajo condiciones meteorológicas adecuadas, pueden afectar a grandes áreas de la Tierra. Los satélites MSG y TIROS-NOAA fueron testigos pasivos de esta irrupción de polvo generalizada que duró varios días y que afectó a Canarias, sobe todo el día 8. Ciertos modelos numéricos de predicción generan salidas y productos específicos que permiten evaluar dichas entradas y cuantificarlas de forma apropiada para alertar a la población y a las autoridades competentes. A la vez, las medidas y predicciones de aerosoles serán utilizadas para analizar el papel de estas diminutas partículas en el controvertido y global tema del cambio climático, donde el papel de los aerosoles es fundamental.

Referencias

Las imágenes fueron obtenidas de los portales

Estación de recepción de datos e imágenes de satélite, Universidad de Dundee.

http://www.sat.dundee.ac.uk/auth.html

EUMETSAT

http://www.eumetsat.int/

Y los mapas se obtuvieron de los portales de:Centro Nacional de Supercomputación de Barcelona, DUST REGIONAL ATMOSPHERIC MODEL (DREAM)

http://www.bsc.es/projects/earthscience/DREAM/

NRL/Monterey Aerosol Page

http://www.nrlmry.navy.mil/aerosol/index_frame.html

La NASA ha publicado en su boletín Earth Observatory una noticia sobre la intrusión africana del 8 de marzo:

http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/

La intrusión es la siguiente:

http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NewImages/images.php3?img_id=17207

Datos en tiempo real de:

AOD en Izaña: http://aeronet.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/type_one_station_opera_v2?site=Izana&nachal=2&level=1&place_code=10

AOD en Santa Cruz de Tenerife: http://aeronet.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/type_one_station_opera_v2?site=Santa_Cruz_Tenerife&nachal=2&level=1&place_code=10

Distribución vertical de aerosoles (lidar) en Santa Cruz de Tenerife: www.calima.ws/lidar

Esta entrada se publicó en Reportajes en 12 May 2006 por Francisco Martín León