Obtención y análisis de perfiles verticales de propiedades del aerosol atmosférico en la isla de Tenerife

Abstract

Se denomina aerosol atmosférico al conjunto de partículas sólidas o líquidas (excluyendo a las nubes) que se encuentran suspendidas en la atmósfera. Estas poseen un amplio rango de tamaño, con radios típicamente comprendidos entre las 0, 01 y las 10 μm. A pesar de encontrarse en concentraciones claramente inferiores a las de los principales componentes atmosféricos, los aerosoles juegan un papel clave en los procesos meteorológicos, físicos y químicos que ocurren en la atmósfera, desde la formación de nubes y precipitación, las características eléctricas de la atmósfera, los efectos sobre los ecosistemas, el medio ambiente y la salud humana, así como la interacción con la radiación solar y terrestre, con un papel clave dentro del balance radiativo del planeta. En este sentido, el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) concluye que los aerosoles contribuyen dentro del sistema climático con un efecto de enfriamiento neto que contrarresta parcialmente el calentamiento inducido por los gases de efecto invernadero. Además, la estimación de su efecto radiativo representa la mayor incertidumbre entre todos los contribuyentes al forzamiento radiativo efectivo del sistema climático. La mejora en la precisión con la que entendemos el rol de los aerosoles en el sistema climático es crucial para reducir las incertidumbres en los estudios y proyecciones del cambio climático. Actualmente, se dispone de diversas técnicas de monitorización de los aerosoles, las cuales, de manera individual, poseen sus propios puntos fuertes y debilidades. Por ejemplo, los fotómetros solares, que son sensibles a la cantidad, tamaño, forma y morfología de los aerosoles, no detectan sus cambios verticales. En contraste, los sistemas lidar elásticos son extremadamente eficaces para determinar el perfil vertical de los aerosoles, aunque su capacidad para ofrecer detalles exhaustivos sobre ciertas características de los aerosoles puede ser limitada sin información previa. Debido a esto, actualmente los esfuerzos de la comunidad científica se centran en la integración de medidas multi-plataforma a través de estrategias sinergéticas entre diferentes instrumentos y técnicas. En esta línea, este trabajo presenta una estrategia de inversión que integra datos fotométricos y perfiles de lidar mediante el algoritmo GRASP (Generalized Retrieval of Aerosol and Surface Properties) con el objetivo de caracterizar el aerosol sobre la isla de Tenerife. Utilizando datos de la red AERONET (AErosol RObotic NETwork) y el lidar CE376 GPNP del Observatorio Atmosférico de Izaña, se obtienen perfiles verticales de extinción, backscattering y concentración, junto con el albedo de dispersión simple y la distribución de tamaños del aerosol para un evento que combinó una intrusión de polvo sahariano y la mezcla del remanente de polvo con humo de incendios provenientes de Canadá, durante los días 29 y 30 de junio de 2023. Las propiedades del aerosol obtenidas se comparan con otros métodos independientes como los de AERONET y Klett. Se expone la eficacia de esta metodología para identificar y caracterizar ambos modos del aerosol (fino y grueso), aunque con una limitación en la sensibilidad al modo no dominante en casos de baja carga de aerosol. La obtención de perfiles detallados de la concentración vertical de aerosoles permite capturar la dinámica vertical de las capas y los cambios en su concentración, siendo especialmente útil para seguir el movimiento de las capas de humo y calima durante el evento del 30 de junio. Finalmente, las propiedades del aerosol obtenidas muestran el comportamiento esperado para los tipos de aerosol trabajados, obteniéndose un alto grado de correlación entre los valores obtenidos, excepto en los perfiles de backscattering, que están afectados por la baja sensibilidad de la inversión lidar-fotómetro al modo no dominante, principalmente debido a la baja carga de aerosol.

Atmospheric aerosol is defined as a collection of solid or liquid particles suspended in the atmosphere (excluding clouds) that have a wide size range, generally between 0,01 and 10 μm. Despite being present in concentrations significantly lower than those of the main atmospheric components, aerosols play a key role in meteorological, physical, and chemical processes occurring in the atmosphere, from cloud formation and precipitation, the electrical characteristics of the atmosphere, effects on ecosystems, the environment and human health, to interactions with solar and terrestrial radiation, playing a crucial role in the planet’s radiative balance. In this regard, the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) concludes that aerosols contribute to the climate system with a net cooling effect that partially offsets the warming induced by greenhouse gases. Moreover, the estimation of their radiative effect represents the greatest uncertainty among all contributors to the effective radiative forcing of the climate system. In this manner, improving the accuracy of our understanding of the role of aerosols in the climate system is crucial for reducing uncertainties in climate change studies and projections. Currently, various aerosol monitoring techniques are available, each with its own strengths and weaknesses. For example, sun-lunar-sky photometers, which are sensitive to the quantity, size, shape, and morphology of aerosols, lack sensibility to their vertical changes. In contrast, elastic lidar systems are extremely effective at determining the vertical profile of aerosols, although their ability to provide comprehensive details on certain aerosol characteristics can be limited without without relying on a priori information. Due to this, the current efforts of the scientific community focus on the integration of multi-platform measurements through synergistic strategies, among different instruments and techniques. In this regard, this work presents an inversion strategy that integrates photometric data and lidar profiles using the GRASP (Generalized Retrieval of Aerosol and Surface Properties) algorithm with the objective of characterizing aerosols over the island of Tenerife. By utilizing data from the AERONET (AErosol RObotic NETwork) network and the CE376 GPNP lidar from the Izaña Atmospheric Observatory, vertical profiles of extinction, backscattering, and volume concentration are obtained, along with the single scattering albedo and the aerosol size distribution for an event that combined a Saharan dust intrusion and the mixing of residual dust with smoke from wildfires in Canada, during June 29 and 30, 2023. The obtained aerosol properties are compared with other independent methods such as AERONET and Klett. The effectiveness of this methodology in identifying and characterizing both aerosol modes (fine and coarse) is demonstrated, although with a limitation in sensitivity to the non-dominant mode in cases of low aerosol load. The detailed retrieval of vertical aerosol concentration profiles allows capturing the vertical dynamics of the layers and changes in their concentration, being especially useful for tracking the movement of smoke and haze layers during the June 30 event. Finally, the obtained aerosol properties exhibit the expected behavior for the studied aerosol types, with a high degree of correlation between the obtained values, except for the backscattering profiles, which are affected by the low sensitivity of the lidar-photometer retrieval to the non-dominant mode, mainly due to the low aerosol load.