Mapa del dióxido de nitrógeno global

El sensor SCIAMACHY del Envisat produce un mapa de la polución global

19 octubre 2004

Basado en 18 meses de observaciones del Envisat, este mapa atmosférico de alta resolución de la polución por dióxido de carbono deja en evidencia cómo las actividades humanas afectan la calidad del aire.

Con diez instrumentos, el Envisat de la ESA es el mayor satélite del mundo para observación ambiental y fue lanzado en febrero de 2002. Su Espectrómetro de Imagen de Escaneo de Absorción para Cartografía Atmosférica (SCIAMACHY, por sus siglas en inglés) registra a bordo el espectro de rayos solares que pasan a través de la atmósfera. Posteriormente, estos resultados se tamizan cuidadosamente para encontrar "huellas" de absorción espectral de gases trazas en el aire.

El dióxido de nitrógeno (NO2) es principalmente un gas producido por el hombre y una excesiva exposición a él causa daños a los pulmones y problemas respiratorios. También desempeña un importante papel en la química atmosférica, ya que hace posible la producción de ozono en la troposfera, la parte más baja de la atmósfera, con una extensión de entre ocho y 16 kilómetros de alto.

Niveles de NO2 sobre Europa. Haga un acercamiento para ver los detalles

El dióxido de nitrógeno es producido por emisiones provenientes de centrales de energía, industria pesada y transporte de carreteras, junto con la combustión de la biomasa. Las descargas eléctricas en el aire también crean óxidos de nitrógeno de manera natural, al igual que la actividad microbiana en el suelo.

En varios países industriales occidentales se están realizando mediciones localizadas in situ del dióxido de nitrógeno atmosférico, pero las fuentes de datos ubicadas en la superficie terrestre generalmente se centran en las áreas más próximas al suelo.

Satélite ambiental Envisat de la ESA

Los sensores espaciales son la única manera de llevar a cabo un observación global eficaz: con el Experimento de Observación del Ozono Global (GOME) del ERS-2 de3 la ESA se demostró por primera vez la capacidad de detectar mediante un satélite el dióxido de nitrógeno presente en la troposfera. Sin embargo, el GOME era sólo un precursor a escala del SCHIAMACHY, que viaja a bordo financiado por fondos alemanes, holandeses y belgas.

Si bien ambos instrumentos funcionan de la misma manera, el GOME tiene una resolución espacial limitada a sólo 320 x 40 km, comparada con la resolución habitual del SCIAMACHY de 60 x 30 km, que también observa la atmósfera en dos vistas diferentes (visión hacia abajo o de "nadir", así como observaciones de "limbo" en la dirección de vuelo) y tiene una gama espectral significativamente mayor que la de su predecesor.

Los equipos de las Universidades de Bremen y Heidelberg en Alemania, el Instituto Belga de Aeronomía Espacial (BIRA-IASB) y el Real Instituto Metereológico de Holanda (KNMI) han procesado con éxito los datos del SCIAMACHY para generar los mapas de mayor precisión hasta la fecha, compuestos de columnas verticales de dióxido de nitrógeno troposférico.

"La mayor resolución espacial del SCIAMACHY significa que vemos muchos más detalles en estas imágenes globales, incluso detectando fuentes individuales en una ciudad", señala Steffen Beirle del Instituto de Física Ambiental de la Universidad de Heidelberg, responsable del mapa que se muestra arriba.

SCIAMACHY will detect many different trace gases
El SCHIAMACHY detecta varios gases traza diferentes

"Las altas distribuciones de columnas verticales de dióxido de nitrógeno tienen relación con las grandes ciudades de América del Norte y Europa, junto con otros lugares como Ciudad de México en América Central y las plantas de energía alimentadas con carbón en Sudáfrica, que se concentran en la parte oriental de la meseta Highvel de ese país".

"También hay una muy alta concentración sobre el nororiente de China. A lo largo del Sudeste Asiático y gran parte de África es posible ver dióxido de carbono producido por la quema de la biomasa. En algunos lugares se pueden ver las huellas de los barcos, por ejemplo en el Mar Rojo y en el Océano Índico entre la punta sur de la India e Indonesia. El humo emitido por las embarcaciones que cubren estas rutas envía una gran cantidad de NO2 a la troposfera".

La DOAS permite la detección de huellas muy débiles de gases traza

"Este mapa se crea con el promedio de todos los datos disponibles, recogidos durante 18 meses. Esto tiene como resultado la reducción de variaciones de temporada en la quema de la biomasa y también las que se deben a cambios en las actividades humanas debido a la estación del año".

Como el GOME, el SCIAMACHY funciona observando la radiación ultravioleta, visible e infrarroja cercana dispersa en la atmósfera. El trabajo pesado ocurre en la superficie terrestre, donde los investigadores intentan obtener patrones muy débiles de absorción de gases traza dentro del espectro general de luz retrodispersa, una tarea comparable con encontrar una aguja en un pajar.

Global Pollution Diagram
Comparación de la resolución espacial del GOME y el SCIAMACHY

El método que utilizan se denomina Espectroscopía de Absorción Óptica Diferencial (DOAS, por sus siglas en inglés), que es básicamente un complejo proceso de filtrado que también se usa con instrumentos de toma de muestras de aire basados en la superficie terrestre. La DOAS elimina el "ruido" espectral predominante en la dispersión de luz Rayleigh de las partículas de aire (el mismo fenómeno que hace que el cielo se vea azul) junto con los patrones de absorción del oxígeno, el nitrógeno y las moléculas de agua que componen la mayor parte de la atmósfera.

Tras eliminar estos elementos, queda la "señal" deseada de patrones más delgados de absorción espectral de gases traza, que se identifican mediante el cruzamiento de las muestras. Aplicada a los resultados del SCIAMACHY, esta técnica tiene una sensibilidad suficiente como para obtener columnas inferiores a unas cuantas partes de dióxido de nitrógeno por billón de partes de aire. Para dar una idea de la escala, sobre conurbaciones altamente contaminadas como Londres, las proporciones de mezclas de NO2 pueden alcanzar valores de hasta cien partes por billón.

Los mapas de dióxido de nitrógeno como el que se muestra aquí se han creado utilizando datos de resonancia de nadir: si bien el NO2 presenta grandes variaciones a lo largo de la atmósfera, se encuentra disperso de manera homogénea en la parte superior de la atmósfera, la estratosfera. De modo que se utilizaron niveles de dióxido de nitrógeno medidos sobre las partes más remotas del Pacífico para determinar una columna general de dióxido de nitrógeno estratosférico, el que se puede restar de los datos globales para determinar valores de columnas verticales de la troposfera.

"Los resultados entregados por este y otros sensores similares se pueden usar para hacer predicciones en el futuro sobre la química de las condiciones climáticas y la calidad del aire", agrega Beirle. "Por ahora nos estamos enfocando en usar los resultados del SCIAMACHY para cuantificar las contribuciones de las diferentes fuentes de óxidos de nitrógeno (tales como el uso de combustibles fósiles, la quema de la biomasa, las descargas eléctricas), especialmente debido a que el valor de este último elemento todavía es incierto".

Acerca del SCIAMACHY

Sciamachy Optical Assembly
Conjunto óptico del SCIAMACHY

El SCIAMACHY es un espectrómetro que analiza el aire a través de una muy amplia gama de longitud de onda, lo que permite la detección de gases traza, ozono y gases relacionados, y nubes y partículas de polvo a lo largo de la atmósfera. Funciona mediante la medición de la luz solar transmitida, reflejada y dispersa por la atmósfera o la superficie de la tierra en la región de longitud de onda ultravioleta, visible e infrarroja cercana. Con un barrido de 960 km., cubre todo el planeta cada seis días.

Este versátil instrumento representa una contribución nacional a la misión Envisat de la ESA. Fue financiado por el gobierno alemán a través del Centro Aeroespacial Alemán (DLR), el gobierno holandés mediante los Programas a la Agencia Aeroespacial de Holanda (NIVR) y también por el gobierno belga a través del BIRA-IASB.

John Burrows, del Instituto de Física Ambiental de la Universidad de Bremen, tuvo por vez primera la idea de crear el SCIAMACHY y ahora trabaja como su Investigador Principal. El SCIAMACHY es parte de una familia de espectrómetros atmosféricos que también incluye al GOME en el ERS-2 y al futuro instrumento GOME-2, que se lanzará el próximo año con la primera misión MetOp.

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