Resumen: Basada en 18 meses de observaciones de Envisat, este mapa atmosférico de alta resolución de la contaminación de bióxido de nitrógeno resalta claramente la forma en que las actividades humanas impactan sobre la calidad del aire.





Basado en un informe de ESA

SCHIAMACHY detecta muchas trazas de gases diferentes. Crédito: KNMI / ESA

Los diez instrumentos de Envisat de ESA, el satélite más grande del mundo dedicado al monitoreo ambiental, fueron lanzados en febrero de 2002. El instrumento SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography = Espectrómetro de Absorción de Escaneo y Fotografía para Cartografía Atmosférica) que lleva a bordo registra el espectro de la luz solar que brilla a través de la atmósfera. Estos resultados son luego filtrados finamente en basca de las “huellas digitales” espectrales de absorción de los gases traza en el aire.

El bióxido de nitrógeno (NO2) es un gas producido principalmente por el hombre, y la exposición excesiva al mismo provoca daños en los pulmones y problemas respiratorios. También juega un papel importante en la química atmosférica, porque lleva a la producción de ozono en la tropósfera, que es la parte inferior de la atmósfera y que se extiende hasta entre 8 a 16 kilómetros de altitud.

El bióxido de nitrógeno es producido por las emisiones de las plantas de energía, de la industria pesada y del transporte carretero, junto a la quema de biomasa. Los relámpagos y los rayos también crean naturalmente óxidos de nitrógeno en el aire, como también lo hace la actividad microbiana en el suelo.

Las mediciones del nitrógeno atmosférico realizadas in-situ son llevadas a cabo en muchos países industrializados de occidente, pero las fuentes de datos con base en tierra se refieren generalmente a zonas delgadas sobre el suelo.
Los sensores con base en el espacio son la única forma efectiva de realizar un monitoreo global: la primera sensibilidad satelital al dióxido de nitrógeno troposférico fue demostrada con el Experimento Global de Monitoreo de Ozono (GOME = Global Ozone Monitoring Experiment) en el satélite ERS-2 de ESA. Sin embargo, GOME fue apenas un precursor a sub-escalar del SCIAMANCHY (de financiación belga-germano-holandesa) a bordo de Envisat.

El agujero de ozono sobre la Antártida. Crédito por la imagen: NASA

Si bien ambos instrumentos funcionan de la misma manera, GOME tiene una resolución espacial limitada de apenas 320 x 40 kilómetros, comparada con la típica de 60 x 30 kilómetros lograda con SCIAMACHY, el que también observa la atmósfera desde dos puntos de vista diferentes: una visión “nadir” o hacia abajo, junto a observaciones de “limbo” en la dirección de vuelo, y tiene además un rango espectral significativamente mayor que su predecesor. Equipos de las Universidades de Bremen y Heidelberg en Alemania, del Instituto de Aeronomía Espacial Belga (BIRA-IASB) y del Real Instituto Meteorológico Holandés (KNMI) han procesado exitosamente los datos de SCIAMACHY para generar los mapas más detallados hasta ahora de las columnas verticales del bióxido de nitrógeno atmosférico.

“La mayor resolución espacial lograda por SCIAMACHY significa que vemos un montón de detalles en estas imágenes globales, resolviendo incluso fuentes urbanas individuales”, dijo Steffen Beirle del Instituto de Física Ambiental de la Universidad de Heidelberg, responsable del mapa que vemos más arriba.

“Las altas columnas verticales de distribución de bióxido de nitrógeno están asociadas con las ciudades más grandes a lo largo de Norteamérica y de Europa, junto a otros lugares como Ciudad de México en América Central y las plantas de energía a carbón sudafricanas localizadas muy juntas en la meseta oriental de Highveld en ese país.

“También se encuentra una muy alta concentración sobre el noreste de China. Y a lo largo de Asia sudoriental y buena parte de África también se puede ver bióxido de nitrógeno producido por la quema de biomasa. Los rastros de barcos son visibles en algunos lugares: véase al Mar Rojo y al Océano Índico entre la punta austral de la India e Indonesia. Las chimeneas de los barcos que cruzan esas rutas envían una gran cantidad de NO2 hacia la tropósfera.

Cómo impactan las actividades humanas la calidad global del aire, mostrando los puntos calientes urbanos. Crédito: KNMI / ESA

Al igual que GOME, SCIAMACHY trabaja observando la radiación ultravioleta, visible y del infrarrojo cercano dispersada por la atmósfera. El trabajo duro comienza en tierra, donde los investigadores intentan recuperar patrones de absorción muy débiles de los gases traza dentro del espectro general de luz refractada de fondo, una hazaña comparable a encontrar una aguja en un pajar.

El método que utilizan se llama Espectroscopía de Absorción Óptica Diferencial (DOAS = Differencial Optical Absorption Spectroscopy), que es básicamente un complejo proceso de filtrado utilizado también con instrumentos con base en tierra de toma de muestras de aire. DOAS elimina el “ruido” espectral predominante proveniente de la dispersión Rayleigh de la luz causada por las partículas de aire (el mismo fenómeno que hace que el cielo sea azul), junto con los patrones de absorción del oxígeno, del nitrógeno y de las moléculas de agua que forman la mayor parte de la atmósfera.

Comparaciones globales de los gases atmosféricos oxígeno, agua y bióxido de carbono en Marte, Venus y la Tierra. La detección de gases traza es una meta para la predicción de biosfera entre los buscadores de planetas extrasolares. Crédito: NASA Workshop, Pale Blue Dot

Detrás de estas sustracciones queda la deseada “señal” de los patrones de absorción más delgados de gases traza, que deberán ser identificadas contra secciones cruzadas de muestras. Aplicada a los resultados de SCIAMACHY, esta técnica es lo suficientemente sensible como para recuperar columnas menores a unas pocas partes de bióxido de nitrógeno por cada mil millones de partes de aire. Para dar una idea de la escala, sobre los conurbanos altamente contaminados como Londres, las proporciones de NO2 pueden alcanzar valores tan grandes como cien partes cada mil millones.

Los mapas de bióxido de nitrógeno como el que mostramos aquí han sido creados utilizando datos nadir; si bien el NO2 varía mucho en la tropósfera, en la atmósfera superior, la estratósfera, está diseminado en forma pareja. De ese modo, los niveles de bióxido medidos sobre las zonas más remotas del Pacífico fueron utilizados para determinar una columna general para el bióxido de nitrógeno estratosférico, el que podría ser sustraído de los datos globales para determinar los valores de las columnas verticales troposféricas.

Los resultados de éste y de otros sensores similares podrían ser usados para la predicción de tiempo químico y de calidad de aire en el futuro”, agregó Beirle. “Por ahora estamos enfocados en utilizar los resultados de SCIAMACHY para cuantificar las contribuciones de las diferentes fuentes de óxidos de nitrógeno, tales como la combustión de combustibles fósiles, la quema de biomasa, y de los relámpagos; especialmente en el caso de estos últimos el valor es todavía muy incierto”.