Programa Europeo de Investigación en Metrología - Delivering Impact
Mejora de las medidas utilizadas para proteger el ozono atmosférico
El ozono atmosférico protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta. Sin embargo, la actividad humana ha mermado los niveles atmosféricos, debilitando este 'escudo protector'. Los espectrofotómetros que miden el ozono se basan en diseños de las décadas de 1970 y 1980, mientras que la instrumentación que ofrecía el potencial para mejorar las mediciones carecía de verificación metrológica para el monitoreo a largo plazo y la precisión requerida para ayudar a proteger esta importante molécula.
Retos
El ozono, compuesto por tres átomos de oxígeno enlazados, se genera en la estratosfera por la acción de la radiación solar sobre el oxígeno gaseoso y absorbe el 99 % de la radiación UV-B biológicamente dañina del sol (280 - 315 nm) que es la causa de los cánceres de piel. Inhumanos. Una molécula rara, se concentra en una banda alrededor de 20-25 km sobre el nivel del mar, la 'capa de ozono'. Sus niveles se miden con espectrofotómetros, o espectrorradiómetros, en una columna cuadrada (1 cm2) que se extiende desde la superficie terrestre hasta el borde del espacio. Si todo el ozono en esta 'Columna de Ozono Total' (TOC) se comprimiera a 0 oC bajo una presión atmosférica de 1, mediría aproximadamente 3 mm de profundidad. En 1976, se descubrió que el ozono estaba siendo destruido por sustancias químicas liberadas por actividades antropogénicas y en 1987 se introdujo el Tratado Internacional de Montreal para eliminar gradualmente las sustancias responsables del agotamiento del ozono. Debido a este protocolo, se espera que el ozono se recupere a los niveles de 1980 a mediados del siglo XXI, pero se necesitan períodos de observación más largos para monitorear su estado y evaluar los efectos del cambio climático en sus niveles. Sin embargo, las redes de monitoreo establecidas utilizan diferentes tipos de instrumentos, como espectrofotómetros Dobson o Brewer, que producen diferencias pequeñas pero significativas en los datos, lo que impide la combinación de resultados de diferentes redes. Además, la 'luz parásita' generada en estos instrumentos por la radiación solar puede enmascarar las señales de ozono más débiles, lo que requiere factores de corrección para resolverlas. Se requería instrumentación mejorada con mayor precisión y estabilidad a largo plazo para medir de manera confiable esta importante molécula.
Soluciones
Durante el proyecto atmoz, un espectrorradiómetro de matriz, el BTS2048-UV-S, desarrollado por Gigahertz–Optik, que se caracterizó ampliamente. Capaz de medir la producción solar en incrementos de paso <0,2 nm en todo el espectro UV, en lugar de solo unas pocas longitudes de onda como los espectrofotómetros Brewer o Dobson, ofreció una mayor confiabilidad para la recuperación de TOC. Además, el instrumento compacto incorporó 6 filtros diferentes para reducir los efectos de la luz parásita. El espectrorradiómetro también participó en una campaña de intercomparación en Izaña, Tenerife, organizada por el Centro de Investigación Atmosférica de Izaña de la Agencia Española de Meteorología (AEMET) y el Centro Mundial de Radiación (PMOD-WRC), donde se compararon nuevos instrumentos y técnicas desarrollados dentro del proyecto. a los bien establecidos métodos de espectrofotómetro Dobson y Brewer y al estándar mundial QASUME. Los resultados de la intercomparación demostraron que el BTS2048-UV-S produjo datos de alta calidad para mediciones de TOC con desviaciones de menos del 1,5 % con respecto a la mayoría de los demás instrumentos en la mayoría de las situaciones y sin exceder el 3 % de los sistemas de medición de TOC establecidos, como Dobson o Brewer.
Europe’s National Measurement Institutes working together
The European Metrology Research Programme (EMRP) brings together National Measurement Institutes in 23 countries to address key measurement challenges at a European level. It supports collaborative research to ensure that measurement science meets the future needs of industry and wider society.
Trazabilidad de la columna de ozono total atmosférico
El proyecto atmoz evaluó las diferencias entre los espectrofotómetros de referencia Dobson y Brewer utilizados por las redes de monitorización de ozono, generó correcciones para mejorar su rendimiento y desarrolló herramientas para garantizar una mayor precisión en este campo.
Se realizaron dos campañas de intercomparación en las que se compararon los nuevos instrumentos y técnicas desarrollados dentro del proyecto con los métodos bien establecidos del espectrofotómetro Dobson y Brewer. Junto con una nueva herramienta de software para evaluar la incertidumbre general de las mediciones de ozono mediante diferentes instrumentos de red, se desarrolló y validó una nueva fuente de radiación sintonizable (TuPS), que proporciona una caracterización rápida en el campo de los espectrómetros dobsonianos.
El proyecto también desarrolló un prototipo de sistema de espectrorradiómetro de matriz de alta resolución, BTS-Solar, y demostró su capacidad para medir con precisión la columna total de ozono en la atmósfera. Los resultados han brindado mayor certeza a las redes de medición de ozono, lo que permitirá una mayor confianza en la evaluación de la recuperación de esta importante molécula protectora.
Impacto
Gigahertz-Optik es un proveedor líder mundial de instrumentos y soluciones para mediciones de luz desafiantes en todas las áreas ópticas, incluidos los rayos UV, la iluminación LED general y aplicaciones más especializadas como la potencia del láser LiDAR y las mediciones de forma de onda. La empresa reconoce el beneficio obtenido del conocimiento del consorcio del proyecto y agregó nuevas capacidades a su instrumento BTS2048-UV-S para mediciones de ozono, como un seguidor solar, un algoritmo de software mejorado para la derivación de TOC y un colimador para mediciones solares. Tras la finalización del proyecto atmoz en 2017, se volvió a probar la estabilidad a largo plazo (> 1 año) del espectrorradiómetro de matriz en una campaña de medición en el observatorio meteorológico DWD de Alemania, parte de la red mundial de vigilancia del ozono, y el PMOD/ WRC en Suiza, parte de la European Brewer Network. No se observó ningún cambio en la capacidad de respuesta del instrumento durante todo el período de la campaña de medición, lo que demuestra su robustez y precisión. Ahora comercializado por Gigahertz–Optik como BTS-Solar, es el primer espectrorradiómetro de matriz que ha sido validado para mediciones de TOC de calidad y precisión, y desde entonces se ha utilizado en el proyecto BIOSPHERE de EURAMET, que examinó los efectos de la radiación extraterrestre en la capa de ozono. El uso de espectrorradiómetros, como el BTS-Solar, proporcionará una mayor certeza en las mediciones de ozono, ayudará a hacer cumplir el Tratado de Montreal y protegerá el ozono que "escuda" a la Tierra de la dañina radiación UV.
De un vistazo
- Impacto del cambio climático en los niveles de ozono
- El sistema BTS-Solar ofrece resultados comparables a los de Brewer y Dobson con respecto al TOC
- Un proyecto implementado con éxito gracias a la muy buena cooperación en el consorcio del proyecto.