Impacto de las emisiones de aerosoles sobre las precipitaciones de los Andes Centrales

Abstract

En la actualidad, hay evidencia suficiente acerca de que los contaminantes atmosféricos antropogénicos tienen marcados efectos sobre los ecosistemas y la salud humana. En Argentina, se han coordinado actividades para evaluar y conocer estas emisiones. Aun así, teniendo en cuenta que la cuantificación y caracterización del impacto de las emisiones antrópicas de aerosoles a la atmósfera, posee todavía un alto grado de incertidumbre en lo relativo a la predicción del comportamiento de las variables meteorológicas, y por lo tanto en el clima; se ha intentado generar nuevos conocimientos y ampliar los existentes. Debido a que el debate público que involucra al cambio climático y sus efectos comienza a enfocarse en medidas de mitigación y acciones regulatorias, la comprensión y cuantificación de la influencia de las diferentes fuentes de emisión de aerosoles en el ciclo hidrológico, es de creciente interés, particularmente en zonas áridas o semiáridas como lo es la provincia de Mendoza, Argentina. Los aerosoles están vinculados a la redistribución de la radiación solar, que influye en la variación térmica de la atmósfera, ocasionando alteraciones en las formaciones nubosas. Estos aerosoles afectan la microfísica de las nubes, y por ende desempeñan un rol crucial, además pueden alterar las precipitaciones y/o el tiempo de vida medio de las nubes afectando a mediano y largo plazo las condiciones climáticas (Hansen, 1997) (Twomey, 1991)(Jones, 1994) (Charlson et al., 1992). El impacto de la contaminación ambiental por emisiones de material particulado, se sumaría a los efectos del calentamiento global. La incertidumbre debe ser reducida con el objeto de estimar de una mejor manera el impacto generado. La posibilidad de dar respuestas significativas, es una de las razones para intensificar los esfuerzos de investigación. Mediciones y estudios numéricos recientes demuestran la existencia de un efecto significativo de las partículas de aerosol sobre la cantidad y la distribución espacial de las precipitaciones (Rosenfeld, 1999) (Ramanathan et al., 2001) (Andreae & Rosenfeld, 2008) (Givati & Rosenfeld, 2004)(Lynn, 2005)(Jirak & Cotton, 2006). Algunos estudios han encontrado que la precipitación se ve reducida en áreas con alto grado de contaminación atmosférica (Rosenfeld, 2000) (Borys et al., 2000) (Freitas, 2005). Sin embargo otros hay encontrado aumento de precipitaciones alrededor de estas áreas (Shepherd & Burian, 2003)(Ohashi & Kida, 2002) (Vendrasco et al., 2009) (Artaxo, 1990). Esta controversia en los resultados probablemente se asocie a las condiciones ambientales de cada zona investigada, el grado de afectación ha de depender de la estabilidad atmosférica y, debido a esto, los efectos de los aerosoles sobre la precipitación pueden cambiar de acuerdo al lugar. En esta tesis se presentan los primeros avances obtenidos acerca de esta problemática sobre el territorio argentino, el cual hasta ahora no ha sido explorado en detalle. Se describe el análisis sobre la incorporación de contaminantes antropogénicos a los modelos de calidad de aire, para estudios de escala local y regional junto con el análisis de su influencia en los patrones de precipitación.El estudio se abordó utilizando los modelos numéricos atmosféricos de meso-escala como el WRF (Weather Research and Forecasting) y el modelo fotoquímico acoplado WRF/Chem que incluyan las características distintivas de la meteorología, las fuentes de emisión antrópicas, urbanas e industriales y de quema de biomasa.Las salidas de los modelos se contrastaron con estadística de precipitaciones de la zona de estudio para su validación. Los resultados fueron satisfactorios, ya que el modelo demostró su capacidad para reproducir eventos típicos de precipitación en una zona con topografía y meteorología complejas. Se comenzó trabajando sobre diferentes configuraciones para evaluar el desempeño del modelo dinámico WRF en las simulaciones de precipitación. Y posteriormente, se ha trabajado con WRF-Chem en donde se han introducido inventarios de emisiones propios, elaborados en el Grupo GEAA, a través de una herramienta modificada previamente para conseguir una representación espacio temporal más detallada y adecuada a los dominios de trabajo. Se examinaron escenarios en condiciones limpias (sin aerosoles) y condiciones contaminadas a diferentes niveles (con inclusión de aerosoles) para eventos típicos de precipitación. El trabajo realizado, demostró la capacidad de modelación local y regional de aerosoles y el modelo manifestó tener sensibilidad a la incorporación de los mismos. Al incluir los inventarios al modelo, se observó a escala local un leve aumento en la cantidad de precipitaciones de aproximadamente un 8%. En esta primera modificación al modelo, las partículas antropogénicas estarían actuando como núcleos de condensación (CCN) para la formación de gotitas de nube. Sin embargo, cuando las nubes se forman con altas proporciones de CCN en el aire, las partículas reducen la nube, reducen la coalescencia y conducen a una supresión de la precipitación (Andreae & Rosenfeld, 2008). Así se ha demostrado en esta investigación que tanto a nivel regional, como a nivel local un aumento en las cantidades de contaminantes presentes en la atmósfera provoca una disminución de precipitaciones en la zona. El grado de impacto parece ser sensible a la tasa de emisión. Para incrementos de contaminantes elevados en la provincia de Mendoza, los decrementos de lluvia alcanzan hasta el 60%. Finalmente, se han empleado datos satelitales para llevar a cabo un análisis independiente de los ya realizados con modelación numérica, con el fin de evaluar si la presencia de material particulado, en mayor o menor grado, presentaba alguna influencia sobre los patrones de precipitación del territorio argentino. Se evaluó, en particular, el impacto de los incendios sobre los patrones de precipitación en Mendoza.Al igual que los resultados obtenidos a través de la modelación, mediante el análisis a través de información satelital se pudo observar que a mayores cargas de material particulado (PM 2.5) presentes en la atmósfera, como consecuencia de incendios desarrollados en la zona, menores resultaron los registros de precipitación acumulada.

At present, there is sufficient evidence that anthropogenic air pollutants have marked effects on ecosystems and human health. In Argentina, activities have been coordinated to evaluate and know these emissions. Even so, taking into account that the quantification and characterization of the impact of anthropogenic emissions of aerosols to the atmosphere, still has a high degree of uncertainty regarding the prediction of the behavior of meteorological variables, and therefore in the climate; an attempt has been made to generate new knowledge and expand existing ones. Because the public debate that involves climate change and its effects begins to focus on mitigation measures and regulatory actions, the understanding and quantification of the influence of the different sources of aerosol emissions in the hydrological cycle is of growing interest, particularly in arid or semi-arid zones such as the province of Mendoza, Argentina. The aerosols are related to the redistribution of solar radiation, which influences the thermal variation of the atmosphere, causing alterations in the cloud formations. These aerosols affect the microphysics of the clouds, and therefore play a crucial role, they can also alter precipitation and the average life time of the clouds affecting weather conditions in the medium and long term (Hansen, 1997) (Twomey, 1991) (Jones, 1994) (Charlson et al., 1992). The impact of environmental pollution from emissions of particulate matter would be added to the effects of global warming. The uncertainty must be reduced in order to estimate the impact generated. The possibility of giving meaningful answers is one of the reasons for intensifying research efforts. Measurements and recent numerical studies demonstrate the existence of a significant effect of aerosol particles on the amount and spatial distribution of rainfall (Rosenfeld, 1999) (Ramanathan et al., 2001) (Andreae & Rosenfeld, 2008) (Givati & Rosenfeld, 2004) (Lynn, 2005) (Jirak & Cotton, 2006). Some studies have found that precipitation is reduced in areas with a high degree of air pollution (Rosenfeld, 2000) (Borys et al., 2000) (Freitas, 2005). However, others have found increased rainfall around these areas (Shepherd & Burian, 2003) (Ohashi & Kida, 2002) (Vendrasco et al., 2009) (Artaxo, 1990). This controversy in the results is probably associated to the environmental conditions of each area investigated, the degree of affectation has to depend on the atmospheric stability and, due to this, the effects of the aerosols on the precipitation can change according to the place. In this thesis the first advances obtained about this problematic on the argentine territory are presented. It has not been explored in detail. The analysis on the incorporation of anthropogenic pollutants in air quality models is described, for studies of local and regional scale together with the analysis of their influence on precipitation patterns. The study was carried out using atmospheric meso-scale numerical models such as the WRF (Weather Research and Forecasting) and the coupled photochemical model WRF / Chem that include the distinctive features of meteorology, anthropogenic, urban and industrial emission sources and of biomass burning. The model´s outputs were contrasted with rainfall statistics from the study area for validation. The results were satisfactory, since the model demonstrated its capacity to reproduce typical precipitation events in an area with complex topography and meteorology. The work was started on different configurations to evaluate the performance of the dynamic WRF model in precipitation simulations. And subsequently, work has been done with WRF-Chem where inventories of own emissions have been introduced, prepared in the GEAA Group, through a previously modified tool to achieve a more detailed time-space representation appropriate to the work domains. Scenarios were examined in clean conditions (without aerosols) and contaminated conditions at different levels (including aerosols) for typical precipitation events. The work done demonstrated the capacity of local and regional modeling of aerosols and the model showed sensitivity to the incorporation of them. When the inventories were included in the model, a slight increase in the amount of rainfall of approximately 8% was observed at the local scale. In this first modification to the model, the anthropogenic particles would be acting as condensation nuclei (CCN) for the formation of cloud droplets. However, when clouds form with high proportions of CCN in the air, the particles reduce the cloud, reduce coalescence and lead to a suppression of precipitation (Andreae & Rosenfeld, 2008). This has been shown in this research that both at the regional level and at the local level an increase in the amounts of pollutants present in the atmosphere causes a decrease in rainfall in the area. The degree of impact seems to be sensitive to the emission rate. For increases in high pollutants in the province of Mendoza, rainfall decreases reach up to 60%. Finally, satellite data has been used to carry out an independent analysis of those already performed with numerical modeling, in order to assess whether the presence of particulate material, to a greater or lesser degree, had an influence on the precipitation patterns of the territory. Argentinian. In particular, the impact of the fires on rainfall patterns in Mendoza was evaluated. As well as the results obtained through modeling, through analysis through satellite information it was observed that at higher loads of particulate material (PM 2.5) present in the atmosphere, as a consequence of fires developed in the area, fewer resulted the accumulated rainfall records