Ozono Troposférico y Estratosférico

La troposfera es la capa más baja de la atmósfera de la Tierra. Comienza a nivel de la superficie y se eleva a una altura de 7 a 20 Km sobre el nivel del mar. La mayor parte de la masa de la atmósfera está en la troposfera (aproximadamente un 80%).Casí todos los estados del tiempo ocurren en esta capa. El aire es más caliente en la parte inferior de la troposfera cerca del nivel del suelo. Más arriba, el aire se enfría. La presión y la densidad del aire también son menores en elevadas altitudes.

La capa sobre la troposfera se llama estratosfera, ésta es la capa de la atmósfera que se extiende entre los 15 y los 50 Km. La tropopausa, que es la zona que limita la troposfera y la estratosfera es un borde muy claro, pero no está exactamente a los 15 Km, sino que oscila entre los 9 y 18 Km dependiendo de la estación y de la latitud. En esta zona la temperatura aumenta con la altitud debido a la absorción de radiaciones UV por el oxígeno y el ozono. Esta distribución de temperaturas origina una "inversión térmica"que dificulta el movimiento vertical de los gases manteniéndolos perfectamente estratificados.

El ozono (O3) es una forma alotrópica del oxígeno presente de forma natural en la atmósfera, tanto en la estratosfera como en la troposfera.  El ozono es un constituyente natural del aire que respiramos. Es un gas azulado, compuesto por tres átomos de oxígeno  altamente oxidante debido a la inestabilidad de su estructura molecular y tóxico a concentraciones elevadas. Puede tener efectos corrosivos sobre materiales y, a determinadas concentraciones, efectos irritantes sobre las mucosas de los seres vivos.

En la estratosfera, aproximadamente a unos 20 km de altura de la superficie terrestre se encuentra la denominada capa de ozono u ozono estratosférico. Esta capa de ozono actúa de forma beneficiosa absorbiendo radiación UV proveniente del sol y evitando que llegue a la superficie de la Tierra. En ésta se producen mecanismos de creación y destrucción de ozono que permite en forma natural mantener la capa. Su debilitamiento o desaparición se debe principalmente a la presencia de gases de efecto invernadero por contaminación de tipo antropogénico.

El ozono situado en la troposfera es lo que se denomina ozono troposférico. este ozono, a causa del hombre, puede encontrarse en concentraciones superiores a las naturales, actuando entonces como un contaminante atmosférico por sus efectos nocivos sobre el medio. Entonces se trata de un contaminante secundario de origen fotoquímico, es decir, no emitido directamente a la atmósfera, sino mediante reacciones fotoquímicas (en presencia de luz solar) a partir de contaminantes primarios que son aquellas que se emiten directamente a la atmósfera.

Los precursores del ozono son fundamentalmente los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles (COVx) los cuales se emiten de manera natural o como consecuencia de las actividades humanas. La época con mayores niveles de ozono suele coincider con el verano debido a una mayor presencia de radiación solar. A manera de ilustración se muestra en el gráfico de la izquierda la relación existente entre los niveles de concentración de ozono y la radiación solar para la ciudad de Alcalá de Henares para el periodo comprendido entre abril del 2005 y enero del 2012.(cálculos realizados durante el curso de contaminación atmosférica en la UAH)

El ozono es un gas tóxico que a concentraciones muy elevadas puede tener efectos en la salud humana, afectando principalmente el aparato respiratorio e irritando las mucosas, pudiendo llegar a producir afecciones pulmonares. Los primeros síntomas que se detectan tras una exposición al mismo es tos, dolor de cabeza, náuseas  dolores pectorales y acortamiento de la respiración. estos síntomas se han observado para concentraciones de ozono de alrededor de 240 ug/m3(umbral de alerta).

Ondas Kelvin

A lo largo de la costa de América del Sur, los vientos alisios del sudeste impulsan la corriente del Perú, forzando el agua superficial mar adentro y permitiendo que el agua fría y rica en nutrientes aflore en superficie. El impulso hacia el Oeste de los vientos alisios se mantiene sobre el Pacífico central y oriental. Según el modelo de Wyrtki el esfuerzo del roce resultante sobre la superficie del mar eleva el nivel de éste en el Pacífico Occidental , el agua se acumula hacia el oeste. El agua acumulada incrementa el espesor de la capa superficial caliente del océano; dicho de otra manera, profundiza la termoclina (intervalo de separación entre la capa superficial bien mezclada y las capas más frías y profundas. Frente a la costa de América del Sur, la termoclina comienza ya a los 50 metros de profundidad, lo que explica porque el agua que aflora es fría. En el Pacífico occidental, sin embargo no se inicia hasta los 200 metros de profundidad.

Los propios alisios del sudeste se deben, al gradiente de presión entre el sistema de alta presión del Pacífico sur y el sistema de baja presión sobre Indonesia y Australia. De aquí que el índice de oscilación del sur (que describe la diferencia de presión entre estos dos sistemas) sea también una medida de la intensidad de estos vientos. Cuando el índice es alto, el gradiente de presión es grande y los vientos intensos.

El Niño, viene anunciado por un brusco descenso del índice y el correspondiente debilitamiento de los vientos alisios en el Pacífico occidental. La relajación de los vientos alisios comienza generalmente en octubre o meses próximos. El agua caliente acumulada en el Pacífico occidental, que los vientos ya no retienen, fluye de vuelta hacia el Este, y el nivel del mar sube al este de la Línea Internacional de cambio de Fecha (que en la proximidad del Ecuador, sigue el meridiano 180º). La corriente adquiere forma de ondas, conocidas como ondas de Kelvin, que se propagan hacia el este en la banda ecuatorial, alcanzando las costas de América del Sur en dos o tres meses (170 Km/día).

Las ondas de Kelvin (ondas gravitatorias atrapadas en el ecuador por la rotación terrestre)  producen dos efectos: generan corrientes anómalas hacia el Este y deprimen la termoclina.

Ambos efectos tienden a calentar la superficie del mar, el primero aportando agua caliente del oeste y el segundo impidiendo el afloramiento de agua fría procedente de la termoclina o subyacente a ésta. El afloramiento que reviste mayor importancia, aparece muy destacado frente a sudamérica, donde la termoclina suele ser poco profunda. La superficie del mar comienza a calentarse allí en diciembre o enero, cuando las primeras ondas de Kelvin llegan a la costa. 

A medida que El Niño se va desarrollando, los vientos alisios continúan debilitándose cerca de indonesia, para acabar sustituidos por vientos superficiales del oeste; las ondas de Kelvin intensificadas que desencadenan éstos deprimen todavía más la termoclina a la altura de América del Sur. Aunque los vientos alisios del Sudeste que barren la costa sudamericana no colapsan y, por tanto, continúan impulsando el afloramiento, el agua que aflora ya no es fría, sino caliente (pobre en nutrientes). En consecuencia la corriente del oeste frente a la parte ecuatorial de América del Sur no sólo queda debilitada por el impuso hacia el Este de las ondas de Kelvin, sino que, además, es mucho más caliente que antes. El calentamiento de la superficie del mar, por tanto, comienza a extenderse en dirección al Oeste a lo largo del Ecuador.

La circulación normal de vientos a lo largo del Ecuador puede invertir su curso durante un episodio de El Niño. Cuando los alisios del Este alcanzan el Ecuador, lo atraviesan y transportan aire progresivamente más cálido y húmedo hacia el sistema de bajas presiones situado sobre Indonesia. Allí convergen con los vientos superficiales del oeste. El aire caliente asciende, la humedad se condensa y se producen abundantes precipitaciones. El aire desprovisto de su humedad, avanza hacia el Este en la alta tropósfera (a una altura variable entre 9 y 12 kilómetros), se enfría y desciende luego sobre la región central y oriental del Pacífico ecuatorial, donde predomina un tiempo seco y asoleado.

Según el modelo de Wyrtki, la dirección del flujo en esta celda de circulación se invierte durante El Niño por una acción de realimentación positiva entre la atmósfera y la superficie del mar. Los vientos del oeste que se desarrollan al Este de Indonesia desencadenan ondas de Kelvin que calientan el Pacífico central; como el aire asciende cuando está sobre agua caliente, la superficie del mar, anormalmente caliente, impulsa la rama ascendente de la celda de circulación hacia el Este. Los vientos del Oeste vienen detrás, intensificando y desencadenando nuevas ondas de Kelvin. Finalmente, la rama ascendente se desvía hacia el Pacífico central y oriental, produciendo fuertes lluvias en esa región normalmente seca. El aire se mueve hacia el oeste, y no hacia el este, en la alta tropósfera y desciende sobre Indonesia; sobreviene allí un tiempo seco que no es habitual. 

Las ondas Kelvin se forman cerca de las costas de Indonesia y viajan hacia el este en la dirección a Sudamérica. Una onda Kelvin típica tiene temperaturas mayores que las aguas circundantes. Ellas pueden existir solamente en el sector ecuatorial debido a la rotación de la tierra. la amplitud de la ondas Kelvin alcanza algunas decenas de metros a lo largo de la zona de termoclina y la longitud de sus ondas son hasta de miles de kilómetros. 

Existen dos tipos de ondas Kelvin: costera y ecuatorial. Ambas son manejadas por la gravedad y por factores de dispersión nula. Frecuentemente dichas ondas son estimuladas por cambios abruptos en la dirección e intensidad de los vientos. Las ondas ecuatoriales Kelvin se propagan hacia el este en el hemisferio norte utilizando las características de la línea ecuatorial como guía. Las ondas costeras Kelvin se propagan hacia el hemisferio norte en sentido antihorario, aprovechando la línea costera como guía. estas ondas especialmente las superficies se desplazan de manera rápida con velocidades promedio de 2.5 m/seg.

La llegada de una onda Kelvin no siempre significa que puede suceder lo peor, normalmente se manifiesta quizá con pequeñas lluvias o aumentos pasajeros de temperatura. Sin embargo, es necesario poner mucha atención a estas manifestaciones porque existe la posibilidad que  encubra un fenómeno intenso de  El Niño. De la fatales experiencias del Fenómeno del Niño en 1982-1983, países como Estados Unidos, Japón y Francia han dispuesto alrededor de 70 boyas a lo largo del Pacífico ecuatorial. A este conjunto de boyas se le conoce como Red-TAO (Tropical Atmospheric Ocean), y su función consiste en supervisar la temperatura del agua a una profundidad de 500 metros, así como los vientos, temperatura atmosférica, y la humedad relativa.  La Red-TAO es uno de los sistemas más confiables para advertirnos la presencia del Niño, se cuenta también con el satélite franco-americano TOPEX-Poseidón, que puede medir la altura de la superficie del océano con el radar a bordo con que cuenta. Ambas tecnologías (Red TAO y TOPEX-Poseidón) han rastreado las últimas ondas Kelvin desde la que se formó cerca de Indonesia en diciembre del 2001, y que cruzando el Pacífico en enero llegó hasta las costas de Sudamérica en febrero.

Gases de Efecto Invernadero

El clima de la Tierra cambia continuamente desde hace millones de años, como resultado de las interacciones entre la radiación solar y los diferentes componentes de la geósfera (tierra, agua, aire) y de la biosfera (seres vivos). Sin embargo, en la actualidad, la emisión de gases invernadero por parte de algunas actividades humanas está modificando la dirección del cambio climático producido por causas naturales.

Los gases de efecto invernadero (aquellos que retienen parte de la energía que el suelo emite al ser calentado por la radiación solar) que rodean la Tierra son más transparentes a las radiaciones de onda corta del Sol y, en cambio, son más absorbentes a los rayos infrarrojos que emite la Tierra. Por esta razón, estos gases fomentan que parte de esa radiación sea reflejada de nuevo a la Tierra, contribuyendo a su recalentamiento. Es un proceso de retención de la energía parecido a lo que ocurre con un invernadero o con la manta que cubre una mesa con un brasero.

Los principales componentes de la atmósfera, oxígeno y nitrógeno, no influyen en el balance de calor. Es el vapor de agua el que produce un mayor impacto, pero su concentración en la atmósfera no se ve alterada por la acción humana. El efecto invernadero se produce principalmente por cambios en los gases presentes en pequeñas proporciones:

• Dióxido de carbono (CO2)

• Metano (CH4)

• Óxido Nitroso (N2O)

• Ozono (O3)

• Hidrofluorocarbonos (HFC’s) y perfluorocarbonos (PFC’s)

Estos gases mantienen caliente la baja atmósfera y la superficie terrestre. Excepto los HFC’s y PFC’s el resto se producen de forma natural en la atmósfera, y se eliminan también de forma natural. Lo que hacemos los humanos es aumentar excesivamente su concentración. Ello provoca un proceso de calentamiento global de la Tierra que modifica el funcionamiento del sistema climático.

Algunas de las consecuencias de este cambio son la alteración del régimen de precipitaciones, la progresiva fusión de los casquetes de hielo de los polos y la subida del nivel del mar. Las emisiones de origen humano de dióxido de carbono son las principales responsables de esta acentuación del efecto invernadero; se calcula que contribuyen en un 65% aproximadamente a este fenómeno. Las emisiones de metano participan en un 20%, mientras el 15% restante es la contribución de los otros gases.

Procesos Estocásticos.

Aquellos procesos caracterizados por variables aleatorias, y que a partir de las mismas condiciones iniciales puede evolucionar en un gran numero de direcciones. Para explicar la evolución de estos procesos se construyen modelos estocásticos . Basándose en las relaciones de dependencia entre las variables del proceso, Karlin ( 1957), propone la siguiente clasificación:

a)   Procesos con incrementos independientes: las variables de incremento temporal sobre intervalos de tiempo disjuntos son independientes.

b)   Procesos de Markov: la distribución de cada variable del proceso depende solo del pasado inmediato.

c)    Martingalas: la esperanza de una variable del proceso dado el pasado hasta un cierto instante es igual a la variable en dicho instante.

d)   Procesos estacionarios: la distribución de cualquier vector de variables del proceso se mantiene si éstas se desplazan en el tiempo de forma constante.

Una serie temporal es una secuencia de observaciones tomadas en el tiempo (diario, semanal, mensual, anual). Una serie temporal de N observaciones sucesivas x’=(x₁, x₂, ….,x_n) se considera como una muestra tomada de una población infinita generada por el proceso. El análisis de las series temporales se concierne a las técnicas para el análisis de esta dependencia. Esto requiere el desarrollo de modelos estocásticos dinámicos para el tratamiento de los datos de series temporales y el uso de tales modelos en particular para la predicción.

Entre los modelos estocásticos son importantes los modelos estacionarios. Estos asumen que los procesos permanecen en equilibrio estadístico con propiedades probabilísticas que no cambian en el tiempo, variando alrededor de una media constante fijada y con varianza constante. Mecanismos útiles para describir el comportamiento de procesos estacionarios son la función de autocorrelación y el espectro. Procesos  estacionarios de importancia al modelar series temporales son los procesos autoregresivos (AR), medias móviles (MA), y una mezcla de ellos autoregresivos-medias móviles (ARIMA).

EL Niño: La Oscilación del Sur. II.

Una parte de las teorías sobre ENSO se desarrollaron a partir de observaciones del oceáno (SST)  y la atmósfera en el Pacífico tropical. Los análisis de Rasmusson y Carpenter ,1982, han contribuido mucho a la comprensión de ENSO. Promediando observaciones para el mismo estadio en el desarrollo de distintos eventos, se resaltan sus aspectos comunes en un patrón compuesto. Se identifican así distintas fases en la evolución de ENSO (Ortiz Beviá,1999):

1. Los antecedentes (Septiembre -1) con anomalías positivas cerca de la costa americana al Sur, valores positivos del índice de la Oscilación del Sur (SOI) e intensificación de la región de convergencia del Sur del Pacífico.
2.   Estadio inicial (Diciembre -1): el patrón de circulación se vuelve caótico, aparecen anomalías de SST  cerca de la línea de fecha.
3.   Fase pico (Abril 0), con el patrón característico que se asocia siempre con El Niño: una lengua de agua caliente que, a lo largo del ecuador, se extiende desde las costas de Perú hacia el interior oceánico.
4.   Fase transición (Septiembre 0)y estadio maduro (Enero+1), en que las anomalías positivas de SST alcanzan su máxima extensión.

Conocidos los episodios de ENSO, una cuestión a indagar es la posibilidad de predecir su inicio. Hasta el episodio intenso de 1982-1983, se pensaba que el registro de vientos alisios más fuertes de lo normal, en el Pacífico suroccidental y central, durante algunos meses previos suponían la formación de energéticas ondas kelvin, que transportarían aguas cálidas al sector sudamericano. Empero, la ausencia de alisios fuertes durante los mese previos a las navidades de 1981 descartaron el carácter de condición necesaria para el desarrollo de un episodio ENSO, lo que demuestra que la comprensión total del fenómeno está todavía lejos de ser realidad. Asimismo las investigaciones, cada vez más numerosas, del proceso ENSO demuestran que no es tan radical la oposición entre circulaciones del tipo ENSO y circulaciones Niña en el Pacífico sur, y ello porque, en ocasiones, no resultan tan nítidas las variaciones de elementos climáticos vinculadas a uno u otro tipo de circulación en ambos lados del Pacífico meridional.

El Niño: La Oscilación del Sur. I.

La Oscilacion del Sur (ENSO) es la variabilidad interanual más importante del planeta. ENSO es una oscilación acoplada del sistema océano atmósfera que ocurre en el Pacífico Tropical. Sus efectos no se limitan al Pacífico, sino que condicionan el clima de toda América, El Indico, Africa e incluso Europa.

El Fenómeno de El Niño fue bautizado con este nombre por los pescadores de la costa de Perú y Ecuador ya que aparecía como una corriente anormalmente cálida cerca de la Navidad y se relacionó con el nacimiento de EL Niño Jesús.

Cuando se habla de   El Niño se refiere a un calentamiento en las aguas del océano Pacífico Tropical. Este calentamiento en la superficie del mar produce un cambio en la circulación oceánica y atmosférica provocando variaciones en el clima a nivel.

Una de las  variables de mayor importancia en el monitoreo del Fenómeno del Niño o La Niña (el fenómeno contrario)  es la temperatura de la Superficie del Mar en el océano Pacífico Tropical. Es por esto que el Pacífico Tropical se ha divido en 4 regiones como se indica en la Figura , las cuales son monitoreadas constantemente para  diagnosticar y pronosticar la evolución de El Niño o La Niña.

FASE POSITIVA DE ENSO
En la fase positiva hay un calentamiento anómalo en el Pacífico Ecuatorial Este. Aparece una baja de presión anómala sobre esta región, y una alta sobre Indonesia

FASE NEGATIVA DE ENSO
En la fase negativa hay un enfriamiento anómalo en el Pacífico Ecuatorial Este. Aparece una alta de presión anómala sobre esta región y una baja anómala sobre Indonesia.

CAUSAS
Lo que da origen al fenómeno "El Niño" aún no es muy bien conocido. Sin embargo, existe una íntima relación entre la ocurrencia del fenómeno y la variación anómala de las zonas de alta y baja presión atmosférica sobre los océanos, manifestándose anomalías en la circulación general de la atmósfera y de los océanos, con efectos muy variados a nivel global.

FRECUENCIA

Es un fenómeno recurrente, no periódico, se presenta a intervalos variados entre los 3 a 11 años; sin embargo, fenómenos extraordinariamente intensos,como “El Niño” 1982/83 y 1997/98 se estima que tienen una frecuencia mayor a 15 años. Estos últimos eventos dejaron huella, no sólo en el clima local y vida marina, sino también en las condiciones climáticas de todo el mundo. Cuando un evento “El Niño” ocurre tiene una duración entre 04 a 12 meses y enalgunos casos hasta 18 meses.

El desarrollo actual  de ENSO se indica en la Figura 2.

Contaminación Atmosférica

Es la presencia en la atmósfera de materias, sustancias o formas de energía que impliquen molestia grave, riesgo o daño para la seguridad y la salud de las personas, el medio ambiente y demás bienes de cualquier naturaleza. Estas materias y fuentes de energía que pueden hacer peligrar nuestra salud, bienestar o recursos se llaman contaminantes.

EMISIONES E INMISIONES

Emisión es la cantidad de contaminante vertido a la atmósfera en un período determinado desde un foco, mientras que la inmisión es la concentración de contaminantes a nivel del suelo. Hoy se emplea más el término «calidad de aire ambiente».

Los niveles de inmisión o de calidad del aire determinan el efecto de un contaminante sobre la salud o el medio ambiente. Además, la cantidad de contaminantes en la atmósfera vendrá determinada por la diferencia entre los emitidos y producidos en la misma y los que se eliminan a través de los procesos de autodepuración por deposición, precipitación y absorción por el suelo, el agua y la vegetación. Por lo tanto, para minimizar la contaminación atmosférica es necesario controlar tanto las emisiones atmosféricas (niveles de emisión) como la presencia de los contaminantes en el aire en distintos puntos receptores (niveles de incisión).

FUENTES DE CONTAMINACIÓN

No toda la contaminación que llega a la atmósfera está causada por el hombre. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las fuentes de contaminación más importantes y perjudiciales para el medio ambiente se derivan de nuestras acciones y actividades económicas.

En general, las fuentes de la contaminación se pueden clasificar según diversos criterios. En función de su procedencia encontramos:

• Fuentes biogénicas: vegetación y volcanes.
• Fuentes antropogénicas:

1. Fuentes fijas: industriales (combustión y otros procesos industriales), domésticas (combustión de calefacciones) y tratamiento de residuos.
2. Fuentes móviles: automóviles, aviones, barcos y maquinaria móvil.

Las fuentes que emiten contaminantes a la atmósfera no son las mismas en todos los sitios y la contaminación que soporta la atmósfera varía mucho en función de las características de cada zona. Concretamente, los datos de fuentes de contaminación en la ciudad de Madrid según el inventario de emisiones son los siguientes:

Fuentes emisoras de contaminantes	Óxidos de nitrógeno (%)	Partículas (%)	Monóxido de  carbono (%)	Óxidos de azufre (%)	COV's (%)
Transporte por carretera	77	72,8	91,4	17,3	33,2
Plantas de combustión no industrial (calderas de comercios, viviendas, oficinas)	6,5	13,2	5,4	68,5
Plantas de combustión industrial	5,7			7,4
Otros modos de transporte y maquinaria móvil	7,1	5,5	2,1
Uso de disolventes y otros productos					53,5