Caracterización de perfiles verticales de carbono negro mediante un vehículo aéreo no tripulado

Abstract

El carbono negro (BC) u hollín es un término utilizado para describir los residuos carbonosos refractarios resultantes de la combustión incompleta de biomasa y combustibles fósiles. El BC es uno de los componentes antropogénicos más importantes de las partículas finas (PM2,5) emitidas por fuentes naturales y antropogénicas. La absorción de la radiación solar a causa de BC se reconoce como un componente principal en el balance energético de la Tierra, ya que como absorbente eficiente de la radiación solar, BC tiene un impacto directo sobre el clima al calentar la atmósfera y al reducir el albedo superficial cuando se deposita en la nieve y el hielo. En Chile, se hace importante saber si las emisiones de BC producidas en grandes urbes con altos índices de contaminación atmosférica por Material Particulado (PM), como las ciudades de Santiago y Chillán, pueden impactar los glaciares ubicados en zonas cordilleranas, cercanas a estas, acelerando su retroceso. Los objetivos de este trabajo fueron equipar la plataforma de vuelo con un microAethalometro portátil y sensores meteorológicos, además de caracterizar la capa de mezcla de Santiago y Chillán mediante las mediciones en altura en diferentes condiciones ambientales y así analizar las implicancias en el transporte de carbono negro hacia zonas cordilleranas cercanas a las zonas de estudio. Se realizaron mediciones en altura en el mes de agosto del 2018 y se completó un total de 21 vuelos verticales para la medición de BC y variables meteorológicas, empleando la plataforma de vuelo en las ciudades de Santiago y Chillán, logrando caracterizar la estabilidad atmosférica de la capa de mezcla hasta los 300 m de altura y su efecto en la concentración de BC en el perfil vertical. De los vuelos realizados, los resultados muestran que la concentración de BC presenta variaciones diarias, entre momentos del día (Mañana, mediodía, tarde y noche) y entre las diferentes alturas dentro del perfil vertical en ambas ciudades. Las concentraciones de BC medidas van desde los 0,59 µg m-3 a los 23,97 µg m-3 en la ciudad de Santiago y entre 0,08 y 42,61 µg m-3 en la ciudad de Chillán. A nivel de superficie, se observan variaciones diurnas de la concentración de BC en todas las estaciones del año. Durante los vuelos en las mañanas y noches, cuando la temperatura es más baja y se producen inversiones térmicas de superficie, en estos períodos, se registran altas concentraciones de BC en la superficie y disminuye en altura. Las mediciones realizadas al mediodía y en las tardes en condiciones de inestabilidad atmosférica, muestran concentraciones de BC homogéneas a lo largo del perfil vertical. Se logró cuantificar el BC a lo largo de la capa de mezcla en zonas urbanas de Chile con altos índices de contaminación atmosférica como lo son las ciudades de Santiago y Chillán. Con el análisis de trayectorias directas en altura utilizando el modelo HYSPLIT y el análisis de conglomerados de las trayectorias, se analizó las implicancias en el potencial transporte de carbono negro hacia zonas cordilleranas durante las 4 estaciones del año, las simulaciones muestran una proporción significativa de trayectorias hacia los glaciares para la ciudad de Santiago durante todo el año, mientras que para la ciudad de Chillán se observa una proporción significativa de trayectorias hacia los glaciares en otoño, invierno y primavera, mientras que en la estación de Verano (2018-2019) no sería significativo el transporte de BC hacia sectores cordilleranos, ya que el transporte en esta estación del año se produce mayormente hacia el norte de la ciudad de Chillán. Se evidencia entonces el potencial transporte de partículas cuando la inversión térmica se rompe y como consecuencia la capa de mezcla se extiende a mayor altura, las concentraciones de contaminantes se homogenizan a lo largo del perfil vertical pudiendo llegar a los glaciares.

Black carbon (BC) or soot is a term used to describe refractory carbonaceous residues resulting from the incomplete combustion of biomass and fossil fuels. BC is one of the most important anthropogenic components of fine particles (PM2,5) emitted by natural and anthropogenic sources. The absorption of solar radiation by BC in various compartments of the climate system is recognized as a main component in the Earth's energy balance, since as an efficient absorber of solar radiation, BC has a direct impact on the climate by heating the atmosphere and by reducing surface albedo when is deposited on snow and ice. In Chile, it is important to know if BC emissions produced in large cities with high levels of air pollution by Particulate Material (PM), such as the cities of Santiago and Chillán, can impact glaciers located in areas mountain ranges, close to these, accelerating their retreat. The objectives of this work were to equip the flight platform with a portable microAethalometer and meteorological sensors, in addition to characterizing the mixed layer of Santiago and Chillán through height measurements in different environmental conditions and thus analyzing the implications in the transport of black carbon towards mountain areas near the study areas. Height measurements were made in August 2018 and a total of 21 vertical flights were completed to measure BC and meteorological variables, using the flight platform in the cities of Santiago and Chillán, achieving the atmospheric stability of the layer. of mixture up to 300 m in height and its effect on the concentration of BC in the vertical profile. From the flights carried out, the results show that the BC concentration shows daily variations, between times of the day (morning, noon, afternoon and night) and between the different heights within the vertical profile in both cities. The BC concentrations measured range from 0,59 µg m-3 to 23,97 µg m-3 in the city of Santiago and between 0,08 and 42,61 µg m-3 in the city of Chillán. At the surface, diurnal variations in the concentration of BC are observed in all seasons of the year. During flights in the mornings and nights, when the temperature is lower and surface thermal inversions occur, in these periods, high concentrations of BC are recorded on the surface and decrease in height. Measurements made at noon and in the afternoon under conditions of atmospheric instability show homogeneous BC concentrations along the vertical profile. BC was quantified throughout the mixed layer in urban areas of Chile with high rates of air pollution, such as the cities of Santiago and Chillán. With the analysis of direct trajectories in height using the HYSPLIT model and the analysis of clusters of the trajectories, the implications in the potential transport of black carbon towards mountain areas during the 4 seasons of the year were analyzed, the simulations show a significant proportion of trajectories towards the glaciers for the city of Santiago throughout the year, while for the city of Chillán a significant proportion of trajectories towards the glaciers are observed in autumn, winter and spring, while in the Summer season (2018-2019) there is no BC's transportation to mountain ranges would be significant, since transportation in this season of the year occurs mostly to the north of the city of Chillán. The potential transport of particles is then evident when the thermal inversion is broken and as a consequence the layer of mixture extends higher, the concentrations of pollutants are homogenized along the vertical profile and can reach the glaciers.