Nuevas estrategias de observación de la tierra en la evaluación de los sumideros de carbono. CDTI, 17 Diciembre 2007
Determinación de gases de efecto invernadero y gases traza mediante Teledetección
Abel Calle Laboratorio de Teledetección de la Universidad de Valladolid
[email protected]
Column averaged CO2 mixing ratio (ppm) for 1 February 2005 calculated from NOAA's CarbonTracker model and measurements from a number of sites in the WMO-GAW Global CO2 network
WMO Greenhouse Gas Bulletin
WMO-GAW: Red global de vigilancia de gases de efecto invernadero para CO2 y CH4
Gases efecto invernadero y gases contaminantes Contaminantes: La Agencia de protección medioambiental de EEUU (U.S. Environmental Protection Agency, EPA) identifica 6 agentes contaminantes: Monóxido de carbono (CO) Dióxido de nitrógeno (NO2) Dióxido de azufre (SO2) Ozono (O3) Plomo Aerosoles
Principales gases de efecto invernadero: Vapor de agua Dióxido de carbono (CO2) Metano (CH4) Oxido nitroso (N2O) CFC’s y otros
Gases traza: los que se encuentran en una proporción inferior al 1%: todos excepto oxígeno y nitrógeno
Misiones NASA Nimbus-7, Meteor-3, Adeos, Earth Probe TOMS, SAGE- 1978 Deep Space Climate Observatory (DSCVR): Triana Gore sat, pto Lagrange UARS, Upper Atmosphere Research Satellite CLAES, HALOE, ISAMS, MLS - 1991 EOS: TERRA, Earth Observation System-AM MOPITT - 2000 EOS: A-Train: AQUA (EOS PM) : AIRS - 2002 AURA (EOS Chem) : HIRDLS, MLS, OMI, TES - 2004 OCO -2008 ?
TOMS: el comienzo El País, 13 de Noviembre de 1989
Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS)
NASA GSFC
TOMS: Evolución del espesor total de ozono NASA GSFC Scientific Visualization Studio
En 2003, se produjo el “agujero de ozono” de los más grandes jamás observados
Barbara Summey (SSAI)
Nimbus-7 / TOMS: SO2 Images from the June 15, 1991 eruption of Mt. Pinatubo, Philippines. The gas and ash clouds were tracked by TOMS for several weeks as they encircled the Earth.
Fueron inyectadas 20 Megatons de SO2 directamente a la estratosfera
UARS: Upper Atmospheric Research Satellite
Fue lanzado en Septiembre 1991 por el Discovery, tras un retraso en financiación producido por el accidente del Challenger Primera misión de la serie “planeta tierra” de NASA Estudios de la química y dinámica de la media y alta estratosfera Primeros mapas de radicales de Cloro en la estratosfera y su relación con la formación de nubes polares estratosféricas, en la dinámica del ozono
UARS: sensores y medidas
HALOE: CLAES: MLS: ISAMS:
Halogen Occultation Experiment Cryogenic Limb Array Etalon Spectrometer Microwave Limb Sounder Improved Stratospheric and Mesospheric Sounder
WINDII, HRDI: Medida de vientos en la estratosfera
UARS / HALOE y CLAES
UARS / HALOE En 1987 se celebró el Protocolo de Montreal, en que se acordó la restricción en la producción de CFC’s. En 1992, el acuerdo de Copenhagen, estableció la total eliminación de la producción de CFCs.
HALOE mide el Cloro estratosférico a una altura de 55 km. Estas medidas son continuadas con el sensor MLS de Aura
James R. Russel (Hampton University)
Motivaciones para medir el CO y CH4 La determinación de perfiles de CO ha sido identificado como objetivo de importancia primaria de cara a mejorar nuestro entendimiento del sistema global del clima. El comité EOS Science Steering Committee - "The fate of carbon monoxide, remotely detected from space, in conjunction with a few other critical meteorological and chemical parameters, is crucial to our understanding of the chemical reaction sequences that occur in the entire troposphere and govern most of the biogeochemical trace gases" (EOS, 1987). World Meteorological Organization - "Definition of trends and distributions for tropospheric CO is essential. A satellite-borne CO sensor operating for extended periods could help enormously" (WMO, 1985).
El CH4 juega un papel importante en la química atmosférica, de forma que se encuentra presente en los ciclos bioquímicos. El Metano se incrementa en la atmósfera a un ritmo del 1%/año, aunque la fuente de este incremento aún es confusa.
El Metano El Metano contribuye en un 18.6 % al calentamiento provocado por gases de efecto invernadero liberados en actividades humanas. Afecta al clima por su influencia sobre el ozono troposférico y sobre el vapor de agua estratosférico. El Metano se libera a la atmósfera por procesos naturales (~ 40%, pantanos y acción de insectos) y fuentes antropogénicas (~ 60%, explotación de combustibles fósiles, cultivos de arroz, ganadería, quema de biomasa)
Evolución anual del CH4, período 1984-2006 Fuente: WMO, 23 November 2007, Greenhouse Gas Bulletin
Relación de crecimiento del CH4, período 19842006. Incremento medio de 2.4 ppb/año en los últimos 10 años
Terra / MOPITT: principio de medida Measurements Of Pollution In The Troposphere (MOPITT) fue lanzado en órbita heliosíncrona a bordo del satélite Terra en Diciembre de 1999. MOPITT estima perfiles atmosféricos de CO usando la radiación térmica de CO a 4.7 µm. La columna de CO y CH4 son medidas usando las bandas 2.4 y 2.3 µm, midiendo la radiación solar proveniente de la superficie. (No hay planes para la difusión de datos del producto Metano). Resolución horizontal de 22kmx22km en nadir, Swath 640 km (3 días para cobertura total). Columna total de CO y relación de mezcla de CO a 7 alturas (superficie, 850, 700, 500, 350, 250, y 150 h Pa).
Los perfiles de CO son determinados mediante kernels promediados (525). Ajuste de la radiancia observada con los kernels predefinidos. (Radiómetro de correlación) Esta figura representa el patrón general de perfiles de CO en la Troposfera que contiene el 90% del CO en la atmósfera
Channel #
Primary use
Spectral Band
1 2 3 4
CO CO CO CH4 CO CO CO CH4
CO thermal CO solar CO thermal CH4 solar CO thermal CO solar CO thermal CH4 solar
5 6 7 8
Center Wavenumber -1 (cm ) 2166 (52) 4285 (40) 2166 (52) 4430 (140) 2166 (52) 4285 (40) 2166 (52) 4430 (140)
Terra / MOPITT: Medida del CO El objetivo de este sensor es la medida de concentraciones de monóxido de carbono (CO) y metano (CH4), en la troposfera Ambos, CO y CH4 son producidos por los sistemas de biomasa, océanos y sobre todo, actividades humanas derivadas de la contaminación atmosférica. Su entendimiento y análisis es fundamental para el seguimiento del efecto invernadero CO: 50 ppb 390 ppb
(MOPITT): Measurement of Pollution in the Troposphere
Terra / MOPITT El monóxido de carbono es un bioproducto, que proviene de la quema de combustibles fósiles, de la industria y el tráfico rodado; La imagen de Abril muestra que los niveles de CO son muchísimo más elevados en el hemisferio norte donde se concentra la población y las actividades industriales.
El CO se libera en los incendios y la quema de pastos y sabana (600Mt/año). Obsérvese la imagen de octubre donde se muestran grandes penachos de CO producidos en Brasil y Sudáfrica.
Tomada de: Earth Observatory, NASA
Mapa mundial de la huella ecológica
WWF. Living Planet Report, 2006
Mapa que combina la población en cada parte del planeta con el área requerida para suplir su consumo con las tierras agropecuarias, tierras de pastoreo, zonas pesqueras, bosques y área requerida para absorber el CO2 liberado en la quema de combustibles fósiles
Terra / MOPITT: Emisiones de incendios
Aproximadamente 120 g CO son emitidos por kg de materia seca
Tomada de: Earth Observatory, NASA
Incendios de la sabana y bosques tropicales: 343 Mt CO año; Fuegos no tropicales: 68 Mt CO año
Terra / MOPITT: Emisiones de incendios
NCAR: U.S. National Center for Atmospheric Research, in Boulder, CO
EOS Afternoon Constellation: A-Train NASA planned a series of satellites known as the Earth Observing System (EOS) as the nucleus of a "Mission to Planet Earth." From high above Earth, EOS satellites would monitor land, sea and atmosphere for changes in the environment.
A-Train EOS Coordinated Observations
EOS-PM May 2002
1:18 EOS-Chem July 2004
CloudSat – 3-D cloud climatology CALIPSO – 3-D aerosol climatology aerosols, polarization
TES – T, P, H2O, O3, CH4, CO MLS – O3, H2O, CO HIRDLS – T, O3, H2O, CO2, CH4 OMI – O3, aerosol climatology
AIRS – T, P, H2O, CO2, CH4 MODIS – cloud, aerosols, albedo
OCO - - CO2 O2 A-band ps, clouds, aerosols
PARASOL (Polarization & Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Sciences coupled with Observations from a Lidar): lanzado en Diciembre de 2004. Proyecto del CNES. Su radiómetro estudia la atmósfera midiendo la dirección y polarización de la luz reflejada por nubes y aerosoles. CALIPSO (Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) y CloudSat: lanzados juntos en Abril de 2006. Proporcionan una visión en 3-D de las nubes y aerosoles mostrando la forma y cómo afectan a la meteorología y al clima. ESSP-OCO (Earth System Science Pathfinder-Orbiting Carbon Observatory): será lanzado en 2008. OCO será colocado 15 minutos delante de Aqua y medirá, por primera vez, la concentración de CO2 en la atmósfera.
Misión AURA
AURA (Latín de Brisa) fue puesto en órbita el 15 de Julio de 2004. Tiempo de vida útil de 5 años. Aura orbita en 15 minutos detrás del satélite AQUA. AURA forma parte del Earth Observing System (EOS), un programa dedicado al control y seguimiento de las interacciones que afectan al clima global, mediante el empleo de satélites y sistemas coordinados por NASA. El principal objetivo de la misión AURA es responder a tres preguntas científicas: ¿Cambia la capa de ozono como se espera? Relación con efecto invernadero. ¿Qué procesos controlan los contaminantes de la troposfera? ¿Cuál es el papel de los aerosoles de la alta troposfera, el vapor de agua y el ozono en el cambio climático?
AURA: Instrumentos y medidas
Schoeberl, M.R et al., IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 44, (5), 1066-1074.2006
Parámetros determinados mediante AURA Parámetros atmosféricos determinados mediante HIRDLS, MLS, OMI, and TES, y rango de altitud en que son medidos dichos parámetros. Los solapamientos proporcionan perspectivas independientes útiles para calibraciones cruzadas.
HIRDLS: Nubes polares estratosféricas
Nubes delgadas constituidas de hielo, ácido nítrico y mezcla de ácido sulfúrico que se forman en la estratosfera polar cuando la temperatura cae por debajo de los -88 C. Son conocidas como PSCs (Polar Stratospheric Clouds) y liberan compuestos de Cloro (ClO). Sus colores llamativos provienen de la refracción de la luz solar Por los pequeños cristales de hielo. La fotografía muestra PSC sobre Islandia a una altitud de 22 km.
MLS: Seguimiento del agujero de ozono
Durante 2006 se produjo el agujero más severo observado hasta hoy. El satélite AURA determinó Septiembre 21-30, 2006, el área promedio del agujero valores de 85 UD en Oct. 8 en una región sobre capas de ozono fué el más grande jamás observado: 27 de hielo al este de la Antártida. Este fenómeno fue millones de km2. La imagen es del Sept. 24, es el consecuencia de la aparición de altas concentraciones de récord de un sólo día 29.2 millones de km2. sustancias destructoras del ozono unido a un récord en Credit: NASA condiciones de frío estratosférico.
Credit: NASA
TES: Ozono troposférico First TES global map of tropospheric O3 (9/21/2004)
TES: El ciclo del agua
Mediante el análisis de distribución de moléculas de agua ligera y pesada, pueden deducirse las fuentes y procesos del ciclo del vapor de agua, el gas más abundante de efecto invernadero en la atmósfera de la tierra
Distribución de las moléculas de vapor de agua “pesado" y "ligero" sobre los trópicos de la tierra. Rojo indica vapor de agua “pesado” proveniente de la evapotranspiración de la vegetación. Azul y Morado muestran el vapor de agua “ligero” cuyo origen se encuentra en la condensación. Datos obtenidos por Tropospheric Emission Spectrometer del satélite AURA. Créditos de la imagen: NASA/JPL
OMI: Indice de aerosol del humo OMI distingue diferentes tipos de aerosol: nubes, humo, sulfatos, etc
Dos imágenes del instrumento Ozone Monitoring Instrument (OMI) del satélite AURA que muestran medidas de humo sobre Alaska y oeste de Canadá, durante Agosto de 2005. El aumento de la cantidad de humo se muestra como un índice de aerosol con sombras de color azul (menor o sin humo) hasta rosáceo (humo denso). Creditos de la imagen: NASA/OMI Science Team
OMI: Indice de aerosol del humo
The images above show the smoke aerosol layer generated by the fires in Southern California, as seen by Aqua-MODIS (true color) and Aura-OMI (Aerosol Index overlaid over MODIS rgb), as it drifted over the Pacific Ocean on October 22.
AURA: seguimiento del ozono procedente de incendios
Niveles de ozono elevados sobre regiones afectadas por grandes incendios y arrastrado por corrientes de viento, en las regiones tropicales. Datos procedentes de la misión AURA combinados con el modelo atmosférico GEOS-Chem. Créditos de la imagen: NASA
El CO2 CO2 es el gas más importante como absorbente de la radiación infrarroja. Responsable del 63% del calentamiento por gases de efecto invernadero. Aproximadamente 10,000 años antes de la revolución industrial la concentración de CO2 fue constante ~280 ppm. Este valor representa una cantidad de balance de flujos estacionales de 100 Gigatonnes por año entre atmósfera-biosfera y océanos. Desde el año 1700 el CO2 ha incrementado el 36%, por Emisiones de quema de combustibles fósiles (8.4 Gt carbon por año) y Deforestación (1.5 Gt por año)
Evolución anual del CO2, período 1983-2006 Fuente: WMO, 23 November 2007, Greenhouse Gas Bulletin
Relación de crecimiento del CO2, período 19832006. Incremento medio de [1-3] ppm/año en los últimos 10 años
• Resolve pole to pole XCO2 gradients on regional scales • Resolve the XCO2 seasonal cycle in the Northern Hemisphere
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Motivaciones para el seguimiento del CO2
Fuentes y sumideros Aunque el hemisferio norte es un sumidero de carbono, hasta ahora no se ha podido determinar el peso relativo entre los continentes de Asia y Norte-América y las cuencas oceánicas con suficiente resolución.
Motivaciones para el seguimiento del CO2
CO2 se ha incrementado desde 280 a 370 ppm desde el comienzo de la era industrial Sólo la mitad del CO2 emitido por combustibles fósiles e incendios permanece en la atmósfera. El resto ha sido absorbido por los océanos y la biosfera
AQUA / AIRS El instrumento AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) de la NASA, a bordo de Aqua, fue diseñado originalmente para la medida del vapor de agua atmosférico y la temperatura para ser aplicados en aplicaciones de predicción meteorológica. Sin embargo se está utilizando para observar CO2. Equipos de NASA, NOAA, ECMWF, UMBC, Princeton y CalTech aplican diferentes métodos para determinar la concentración de CO2 en la media troposfera (8 km por encima de la superficie).
Observatorio OCO ESSP-OCO (Earth System Science Pathfinder-Orbiting Carbon Observatory) Espectros, de alta resolución, de la luz del sol reflejada en las bandas NIR del CO2 y O2 utilizadas para determinar el promedio de la fracción molecular XCO2 del CO2 aire seco. Precisión del 0.3% (1 ppm) CO2 1.61 µm: Columna de CO2 con máxima sensibilidad cerca de la superficie, donde tiene lugar el intercambio superficie atmósfera O2 0.765 µm (banda-A) CO2 2.06 µm band
correcciones de efectos topográficos (presión superficie), albedo, temperatura atmosférica, nubes y aerosoles λ /∆λ ∆λ=21000 ∆λ
λ /∆λ ∆λ=17500 ∆λ
CO2 2.06 µm
O2 A-band
Clouds/Aerosols, Surface Pressure
CO2 1.61µ µm
Column CO2
Clouds/Aerosols, H2O, Temperature
David Crisp, OCO PI, JPL/Caltech. Crisp, D., Johnson, C The Orbiting Carbon Observatory Mission, ACTA ASTRONAUTICA 56 (1-2) : 193-197 JAN 2005.
OCO: observación y cobertura Modo Nadir: apuntamiento al nadir local para recoger datos con la máxima resolución espacial. Aunque más desfavorable SNR Modo “Glint”: apuntamiento hacia el reflejo solar en dirección de reflexión especular. Para obtener más favorable SNR sobre el océano. Modo Target: apuntamiento sobre lugares específicos, sobre todo estaciones de tierra para realizar validaciones
En nadir: swath de 10 km y pixeles de 1x1.5 km2 En modos Glint y Target inferiores a 10km2 Cobertura total: 16 días
GOSAT (Greenhouse gases Observing SATellite)
Proyecto conjunto de la JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), MOE (Ministry of Environment) y NIES ( National Institute for Environmental Studies) Objetivos: 1. Determinar fuentes y sumideros de gases de efecto invernadero y verificar cumplimiento del protocolo de Kyoto 2. Medida del CO2 con precisión 1% durante 2008-2012 Medida del CO2 y CH4 globalmente, con resolución espectral de 0.2 cm-1 en la región SWIR
GOSAT: bandas espectrales
Misiones ESA ERS-2 GOME ENVISAT GOMOS, SCIAMACHY, MIPAS MetOp GOME-2, IASI Sentinel-4 Geostationary Earth Orbit (GEO) Sentinel-5 Low Earth Orbit (LEO)
ENVISAT / GOMOS
Vertical profiles of O3, NO2, NO3, O2, H2O, OClO and BrO during ozone hole conditions aerosol extinction coefficients, atmospheric turbulence, T, polar stratospheric clouds.
1. El espectro de una estrella se mide cuando la línea estrella-satélite se encuentra por encima de la atmósfera (120 km) sin absorción. 2. Se toman diferentes medidas a diferentes profundidades de la atmósfera. 3. La transmitancia se obtiene dividiendo el espectro estelar dentro de la atmósfera entre el espectro estelar fuera de la atmósfera. 4. La densidad de los constituyentes atmosféricos es determinada mediante dichas transmitancias a diferentes alturas z.
ENVISAT / SCIAMACHY SCIAMACHY:
SCANNING IMAGING ABSORPTION SPECTROMETER FOR ATMOSPHERIC CARTOGRAPHY
Mide luz solar: reflejada, dispersada y transmitida Modos: Nadir, Limbo y Ocultación Nadir Columna total Limbo Perfiles Perfiles verticales: Troposfera: O3, O4, N2O, NO2, CO, CO2, H2O, CH4, (HCHO, SO2 en condiciones de contaminación) Estratosfera: O3, O2, O4, NO, NO2, CO, CO2, H2O, CH4, SO2 de erupciones volcánicas, OClO y ClO en episodios de agujero de ozono, parámetros de aerosoles, parámetros de nubes, P y T
DOAS: Differential Optical Absorption Spectroscopy
SCIAMACHY: Medida Medidas continuas de la radiación solar Transmitida Reflejada Dispersada En la región espectral de ultravioleta, visible e infrarrojo corto [0.22-2.38 microns] con resolución moderada entre [0.2-1.5 nm] MODO NADIR: las columnas de los gases traza son determinadas con una resolución espacial de 30x60 km, utilizando la técnica DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy Platt, U. and Perner, D.: 1983, ‘Measurements of atmospheric trace gases by long path differential UV/visible absorption spectroscopy’, in: D. A. Killinger and A. Mooradien (eds), Optical and Laser Remote Sensing, Springer Verlag, New York pp. 95–105.
MODO LIMBO: La atmósfera es sondeada verticalmente, analizando la luz solar cerca del horizonte, cambiando la altura tangente en pasos discretos, desde la superficie hasta una altura de 100 km, aportando información de los perfiles verticales de gases traza. Rozanov, A., Rozanov, V. and Burrows, J. P.: 2001, Numerical RTM for a spherical planetary atmosphere: Combined differential-integral approach involving the Picard iterative approximation, JQSRT, 69, 513–534.
1: Nadir 2: Horizonte (limbo) 3: Ocultación (sol y luna) fuente y calibraciones
SCIAMACHY: refracción de la atmósfera
Determinación del NO2: Europa
A detail from a global image shows the European mean tropospheric nitrogen dioxide (NO2) vertical column density (VCD) between January 2003 and June 2004, as measured by the SCIAMACHY instrument on ESA's Envisat. The scale is 1015 molecules/cm-2. Image produced by S. Beirle, U. Platt and T. Wagner of the University of Heidelberg's Institute for Environmental Physics.
SCIAMACHY: NO2 Escala global
A detail from a global image shows the global mean tropospheric nitrogen dioxide (NO2) ) vertical column density (VCD) between January 2003 and June 2004, as measured by the SCIAMACHY instrument on ESA's Envisat. The scale is 1015 molecules/cm-2. Image produced by S. Beirle, U. Platt and T. Wagner of the University of Heidelberg's Institute for Environmental Physics.
SCIAMACHY: NO2 Escala global, 2006
Mean nitrogen dioxide (NO2) pollution map for 2006, measured by Envisat's Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography (SCIAMACHY) instrument, which records the spectrum of sunlight shining through the atmosphere.
SCIAMACHY: CO [2003-05]
Grandes cantidades de CO proceden de quema de bosques, savana y combustibles fósiles (oil, coal, gas). Principales regiones fuente de CO son África, Sudamárica (CO resultante de fuegos durante la estación seca) y China (CO resultante de actividades industriales y tráfico rodado)
Envisat / SCIAMACHY: transporte de emisiones
A computer-based simulation of the trans-boundary movement of carbon monoxide (CO) released from South American wild fires. The transport route of the CO is clearly visible moving across Southern Africa to Australia, as confirmed by Envisat SCIAMACHY observations.
SCIAMACHY: CH4 [2003-05]
Las fuentes de CH4 son los arrozales, pastizales con rumiantes y pantanos. Además ha sido descubierto la emisión de CH4 por la vegetación viva (Keppler et al., Nature, 2006), lo que explica las altas cantidades detectadas en zonas tropicales
SCIAMACHY: CO2 en el hemisferio norte
SCIAMACHY: CO2 en el hemisferio norte
Buchwitz, et al., Atmos. Chem. Phys., 7, 4249-4256, 2007
SCIAMACHY: CO2 (Continuidad de las medidas)
SCIAMACHY: CO2 [2003-05]
Cantidades altas de CO2 son absorbidas por la vegetación en primavera y verano (bajos niveles de CO2 en la atmósfera) y son liberadas grandes cantidades durante otoño e invierno. Niveles de CO2 aumentan cada año en un 0.5-1% por la quema de combustibles fosiles
Fuentes y sumideros
Valores bajos de CO2 en el “escudo canadiense” y valores altos en la zona central-oeste de EEUU. Los valores observados se corresponden claramente con un cambio de vegetación de coniferas y bosques caducifolias (norte) a cultivos y planicies de pastos (centro-oeste). Obsérvese la fecha (julio)
Barkley and Monks, Envisat symposium, 2007
SCIAMACHY: Validación y significado del error Precisión estimada: Los incrementos interanuales dependen del tiempo y la latitud, entre 1-3 ppm/año. Precisión exigida: 1ppm (0.3%) Para el ciclo estacional, (mayor amplitud en mayores latitudes) la precisión debe ser mejor de 2pp.
Buchwitz, et al., Atmos. Chem. Phys., 7, 4249-4256, 2007
Precisión actual de SCIMACHY ∼1% (