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Implementado el equipamiento científico del proyecto de Infraestructuras Científico-Técnicas cofinanciado con fondos FEDER

 

El nuevo equipamiento científico conseguido mediante el proyecto “Equipamiento para la Monitorización e Investigación en la estación Global VAG (Vigilancia Atmosférica Global) de Izaña (Tenerife) de componentes atmosféricos que provocan y modulan el cambio climático” (nº de contrato: AEDM15-BE-3319), por un importe de casi 410.000 euros, ha sido ya implementado por completo durante este mes de abril de 2018 en el Observatorio de Izaña, gestionado por el centro de Investigación Atmosférica de Izaña (CIAI) de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET).

Este proyecto de Infraestructuras Científico-Técnicas ha sido financiado por la Agencia Estatal de Investigación del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad en la convocatoria de proyectos de equipamiento científico cofinanciados por el FEDER.

 

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El equipamiento científico puntero obtenido mediante este proyecto competitivo, que redunda en una notable mejora de las capacidades de observación e investigación de la atmósfera en Canarias, y en los programas de investigación atmosférica en los que participa el CIAI, son los siguientes:

 

1. Un analizador para la medida in situ con altísima exactitud de las fracciones molares atmosféricas de óxido nitroso (N2O) y monóxido de carbono (CO), mediante Espectroscopía con Láser de Cascada Cuántica.

El instrumento se basa en una técnica espectroscópica con cavidad óptica asociada de muy alta calidad (alta reflectividad y calidad óptica) y bajo volumen que permite caminos ópticos muy largos (multitud de reflexiones dentro de la cavidad) del haz de luz infrarroja (de una longitud de onda de 4.6 micrómetros, aproximadamente) procedente de un Láser de Cascada Cuántica con longitud de onda ajustable. El analizador también mide H2O, aprovechando unas líneas espectrales que están en el rango de las que se usan para la medida de N2O y CO.

 

 

Analizador de espectroscopía con Láser de Cascada Cuántica para medida de CO, N2O y H20, Los Gatos Research.

 

Este equipo ha sido integrado en el Programa de gases de efecto invernadero y ciclo del carbono de la VAG, pasando a ser próximamente equipo primario de CO y de N2O en el Observatorio de Izaña. Este equipo cumple con los requisitos de la infraestructura europea ICOS (Integrated Carbon Observation system) para sus estaciones de medida, siendo el único aceptado actualmente por ICOS capaz de medir N2O.

2. Un espectrómetro de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) EM27/SUN para la medida de las columnas totales atmosféricas de oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y vapor de agua (H2O).

Este instrumento registra el patrón de interferencias o interferograma asociado a la radiación solar directa incidente, que es convertido mediante transformada de Fourier a un espectro de absorción solar de gran resolución espectral. Para ello emplea un seguidor solar (CAMTracker), que captura el haz solar incidente y lo re-direcciona a un interferómetro Michelson tipo RockSolid™. Emplea un detector de arseniuro de indio y galio (InGaAs) operado a temperatura ambiente, que cubre el rango espectral del infrarrojo cercano entre 5000 y 11000 cm-1 y un divisor de haz de fluoruro de calcio (CaF2) transparente en esta región. Este amplio rango espectral permite registrar simultáneamente las líneas de absorción del O2, CO2, CH4 y H2O. Estos espectros de absorción son evaluados a posteriori con un modelo radiativo, que iterativamente simula la transferencia radiativa de la radiación solar en la atmósfera, permitiendo obtener la concentración total en la columna atmosférica de dichos gases atmosféricos.

 

Espectroradiómetro de infrarrojo por Transformada de Fourier Bruker EM27/SUN.

 

Este equipo será integrado en el Programa de Espectrometría de Infrarrojo por Transformada de Fourier del CIAI, complementando las medidas de un espectrómetro FTIR de alta resolución (IFS 125HR) que operativamente contribuye a las redes internacionales para la medida de concentraciones de gases atmosféricos NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) y TCCON desde 1999 y 2007, respectivamente. El EM27/SUN es el único instrumento recomendado por la red internacional de reciente creación COCCON (COllaborative Carbon Column Observing Network, Instituto de Tecnología de Karslruhe, KIT, Alemania) para la monitorización operativa de gases de efecto invernadero (GEIs), en colaboración con la red ya consolidada TCCON (Total Carbon Column Observing Network). Por tanto, este equipo forma parte ya de COCCON.

Por otro lado, este espectrómetro será utilizado a finales de septiembre y principios de octubre de 2018 en un Proyecto piloto de demostración “Ciencia-Servicios” (Medidas de Emisiones y Concentraciones de Gases de Efecto Invernadero en la ciudad de Madrid (MEGEI-MAD)) para la medida de las concentraciones de dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4), como principales gases de efecto invernadero (GEIs), y estimación de las correspondientes emisiones en el ambiente urbano de Madrid mediante espectrometría FTIR.

 

3. Tres (3) fotómetros multi-banda de última generación para la medida del contenido y propiedades ópticas de aerosoles, así como de vapor de agua en la columna atmosférica

Se trata de tres fotómetros Cimel CE318-T.En el desarrollo del nuevo fotómetro CE318-T han intervenido de forma destacada investigadores del CIAI desarrollando toda la metodología de medida y de calibración, así como las actividades de evaluación de su rendimiento, resultados publicados recientemente por Barreto et al. (2016). Este equipo es el único aceptado en estos momentos por la red AERONET (Aerosol RObotic NETwork) de NASA (ver la noticia publicada el 2 de octubre de 2016 en la web de AERONET http://aeronet.gsfc.nasa.gov/).

El CE318-T es capaz de realizar medidas diurnas y nocturnas utilizando el Sol y la Luna como fuentes de iluminación, permitiendo el estudio de un ciclo diario completo de aerosoles y vapor de agua en la atmósfera, de gran importancia para mejorar la monitorización atmosférica. Esto supone una mejora notable frente a los fotómetros Cimel clásicos utilizados hasta ahora, y que solo podían medir con luz solar.

El CE318-T consta de una cabeza con colimador donde se alojan los filtros y el detector, un robot con dos motores que permite realizar los movimientos necesarios para seguir los movimientos del sol y la luna así como los correspondientes a los planos principal y almucantar. Una caja de intemperie alberga la electrónica que gobierna tanto la cabeza como el robot. El equipo está dotado de un panel solar y una batería, así como de un barotransmisor para corregir las medidas por presión, y de un sensor de humedad para aparcar automáticamente la cabeza cuando hay precipitación. El equipo puede ser controlado de forma remota a través de internet.

 

 

Los tres fotómetros Cimel CE318-T calibrándose junto a otros Cimel Master de AERONET-Europe (ACTRIS) en el Observatorio de Izaña.

 

Cajas electrónicas de los tres fotómetros Cimel CE318-T adquiridos en este proyecto.


El CE318-T equipo mide en las longitudes de onda de 340-380-440-500-675-870-936-1020-1640 nm, y realiza tres tipos de medida: al sol (modo SUN), a la luna (modo MOON) y al cielo (modo SKY) en el plano paralelo y en el almucantar. Con las dos primeras determina el Espesor Óptico de Aerosoles (AOD, por sus siglas en inglés) en los diferentes canales, así como vapor de agua integrado en la columna (agua precipitable) con el canal de 936nm, mientras que con las medidas al cielo obtiene, mediante algoritmos de inversión, un gran número de propiedades ópticas y de distribución de tamaños de los aerosoles atmosféricos.

Estos equipos han sido ya integrados en la red AERONET (Aerosol Robotic NETwork) de NASA y en la red AERONET-Europe del proyecto europeo ACTRIS, convirtiéndose, además, uno de los fotómetros en referencia primaria y otro en referencia secundaria. Los equipos de referencia absoluta de Izaña son dedicados a calibrar únicamente equipos máster del Grupo de Óptica Atmosférica de la Universidad de Valladolid y del Laboratoire d’Optique Atmosphérique del CNRS-Universidad de Lille (LOA, Francia), con los que compartimos la gestión de AERONET-Europe en el marco de ACTRIS-2. Esto dos centros se encargan de transferir las calibraciones recibidas desde Izaña por los patrones de referencia al resto de los equipos de la red, unos 120, la mayoría en Europa y el norte de África. Además, los patrones de referencia de Izaña calibran directamente los equipos masters de las redes de la Administración Meteorológica de China –CMA- (CARSNET) y de Canadá (AEROCAN).

Por otro lado, el equipo de referencia primario juega ya un papel de enorme repercusión internacional ya que, por primera vez, un equipo de referencia de AERONET se calibra y compara de forma periódica frente a la triada de referencia de la red GAW-PFR (Global Atmosphere Watch- Precision Filter Radiometer) gestionada por el "Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos" (PMOD) del World Radiation Centre (WRC, Davos-Suiza).

Estos equipos sirven de apoyo al equipo de la ESA (Agencia Europea del Espacio) que actualmente está realizando medidas de irradiancia de la luna con el fin de desarrollar un nuevo modelo de irradiancia lunar para la calibración de sensores atmosféricos a bordo de satélites.

 

4. Una esfera integradora para la calibración en radiancia en laboratorio de los fotómetros.

Se trata de una esfera integradora de Ulbricht es de 20” que contiene 4 lámparas. Es utilizada para realizar las calibraciones de radiancia de los CE318-T en el modo SKY. Las medidas de radiancia (SKY) son necesarias para, mediante métodos de inversión atmosférica, determinar propiedades ópticas y tamaños de los aerosoles presentes en la atmósfera.

 

Esfera integradora de Ulbricht de 20” que contiene 4 lámparas (Helios).


La esfera integrante se utiliza en los programas de observación de AERONET y AERONET-Europe. La intercomparabilidad entre esta esfera y las tres esferas integrantes de NASA en el Goddard Space Flight Center (Greenbelt, Maryland, EEUU), GOA-UVA (Universidad de Valladolid) y LOA-Lille (Universidad de Lille, Francia), respectivamente comenzará a lo largo de 2018.

Esta esfera servirá también para calibrar otros radiómetros y fotómetros que necesitan calibración en radiancia.