Análisis de la radiación solar espectral ultravioleta en Chile Central.

Abstract

En las últimas décadas, se ha prestado mucha atención a la cantidad de radiación solar espectral ultravioleta (RUV) que llega a la superficie terrestre debido al adelgazamiento de la capa de ozono (O3) estratosférica. Esto ha provocado que se reciban altos valores de RUV en el hemisferio sur desde la primavera hasta otoño. La RUV es un componente muy energético y su efecto es acumulativo por lo que debe vigilarse al desempeñar un papel importante en la salud ambiental y laboral. Por otro lado, su análisis en la superficie de la Tierra es esencial debido al rápido avance del tratamiento de aguas residuales mediado por nuevos materiales y el espectro solar. Sin embargo; son escasas las mediciones y series de tiempo extensas de RUV, los estudios de dosis recibidas dependiendo de la susceptibilidad individual y la caracterización de su distribución espacio-temporal está lejos de ser completa. Esto particularmente preocupante en Chile, y especialmente en el centro, donde se concentra la mayor población del país. Este es el motivo por el cual en esta tesis se propuso; cuantificar y modelar la RUV que llega a la superficie terrestre en Chile Central. Con el fin de evaluar su impacto directo e indirecto sobre la salud de las personas, así como proponer herramientas que estimen valores de RUV para su uso en cualquier estudio futuro que requieran datos (variación espacio-temporal, valores promedios horarios o diarios, así como en potenciales aplicaciones) en sitios de Chile. Se trabajó con datos de radiación solar espectral UV-B (280- 315nm), mediante la información que brinda el UVER (280-315nm) y se simularon valores de RUV (280- 400nm). Se incluyó en el estudio ciudades de Chile ubicadas entre las latitudes 24°S y -37°S como, Antofagasta, Valparaíso, Santiago, Rancagua y Concepción. Por sus características climáticas, demográficas y geográficas se dedicaron dos trabajos a la zona más poblada Chile Central, Santiago de Chile. Se analizó la RUV bajo diferentes condiciones de cielo, épocas del año y distintas escalas de integración temporal. A su vez se obtuvieron medidas de O3 (troposférico y estratosférico), cobertura de nubes, humedad relativa, temperatura, precipitaciones, velocidad de viento, aerosoles, material particulado (MP10) y óxido de nitrógeno (NO2). Los datos mencionados, así como las medidas meteorológicas registradas en cada estación de medida, han sido analizados para caracterizar el tipo de atmósfera y su aerosol predominante en cada localidad de estudio. Se evaluó el impacto directo e indirecto que tiene la radiación espectral UVER en la salud humana. El efecto negativo directo del UVER se analizó a través de cuatro índices de eritema; el índice ultravioleta (UVI), el tiempo de exposición máximo (tery), la dosis eritemática mínima (MEDI-IV) para diferentes fototipos de piel (I-IV) o susceptibilidades de piel y la dosis eritemática estándar (SED). Se tuvo en cuenta la variación estacional de la nubosidad empleando el índice de claridad atmosférico (KT) y otras características climáticas al evaluar la exposición al UVER en la población chilena. Para conocer el rol indirecto del UVER en la salud humana se analizó la relación entre el UVER y la contaminación atmosférica en la superficie de Santiago. Dado el papel fundamental de la RUV y la falta de mediciones a largo plazo, se desarrolló y validó un set de modelos empíricos (horarios y diarios) que estiman el UVER bajo diversos escenarios en una superficie horizontal, desde mediciones simultáneas de radiación global y UVER durante 5 años (2015-2019) obtenidas en la estación radiométrica del Departamento de Física en la Universidad de Santiago (USACH). El modelo que tuvo el mejor desempeño se empleó como parte de una estrategia para extender el análisis realizado en Santiago a la Región Mediterránea Chilena (RMCh). Así se produjeron dosis de UVER para esta región utilizando el mejor modelo y las observaciones de radiación global obtenidas en 57 estaciones radiométricas durante el año 2019. Las dosis modeladas se validaron utilizando mediciones terrestres en los sitios de, Gobernación marítima (GOB, Valparaíso), El Colorado (COL, Santiago) y Rancagua (RAN, O’Higgins). Con las series disponibles se desarrolló la distribución espacio-temporal de la exposición a UVER en RMCh a escala mensual y anual. Atendiendo a la posibilidad de conocer el potencial que tiene la RUV, como fuente de energía en el proceso de degradación fotocatalítica de contaminantes en ciudades pobladas de Chile, se simularon valores de RUV en tres ciudades chilenas, Antofagasta, Santiago y Concepción. Se empleó un periodo de 8 años y el modelo de transferencia radiativa UVSPEC/LibRadtran. Se incluyó en las simulaciones parámetros atmosféricos como, la cobertura de nubes, columna de O3, aerosoles, ángulo solar cenital, latitud y altitud. Se analizó de forma estacional en términos de irradiancia (Wm-2 ) e irradiación (kJm-2 ) los valores de RUV simulados en las tres ciudades de Chile. Ambos enfoques (empírico y transferencia radiativa) con el objetivo de obtener valores de UVER (280-315nm) y RUV (100-400nm) donde no se poseen mediciones. Las observaciones indican que para alertar a la población sobre los riesgos de la sobreexposición al UVER es necesario utilizar, además del UVI, tres índices más de eritema: SED, MED y tery. La combinación de estos índices muestra que, en Chile Central, los individuos con tipos de piel III y IV (fototipos de piel más frecuentes en Chile) están expuestos a dosis UVER perjudiciales durante el 46% del tiempo donde el UVI indica que es seguro. Esto ocurre bajo condiciones de nubosidad y antes de las 11:00 LT durante la primavera, el verano y el otoño. De hecho, esta tesis muestra que los cielos nublados minimizan la intensidad del UVER y el correspondiente UVI (2) en la superficie, pero las dosis acumuladas superan los niveles recomendados por OMS/WHO incluso en individuos melano-competente (fototipos III-IV). Enviando el mensaje que una exposición a niveles bajos de UVI (2) parece engañosa y la información reportada por la OMS/WHO de no proteger la piel en estas condiciones necesita reconsiderarse. El O3 troposférico tuvo una correlación positiva con la UVER, revelando un incremento de 27 ppbv en la concentración de ozono cuando los niveles de UVER eran superiores a 0,10 Wm-2 (UVI = 4). Por tanto, la RUV entrante que alcanza la superficie de Chile Central llega con la energía suficiente para provocar quemaduras solares y aumentar los niveles de O3 troposférico desde finales de la primavera hasta principios de otoño. Para las zonas pobladas no cubiertas por la red solar chilena, los valores horarios y diarios de radiación solar espectral (UVR y UVER) pueden estimarse mediante los modelos desarrollados en este trabajo. Los modelos empíricos que estiman los valores horarios y diarios de UVER teniendo en cuenta las condiciones de cielo (KT), muestran un buen desempeño para la RMCh. Se presentan aquí datos del espectro solar (entre 250 y 4000 nm) con 1 nm de resolución espectral para cielo claro y nublado. La RUV-simulada mensual mediante el LibRadtran muestra similitud con las simulaciones de RUV que hace la herramienta en línea Explorador Solar en la ciudad de Antofagasta. Con los valores estimados (UVER y RUV) mediante las técnicas de modelación fue posible conocer la distribución espacio-temporal a escala mensual y anual del UVER a través de la región mediterránea chilena y sugerir que es posible el tratamiento solar de aguas en las ciudades de Antofagasta, Santiago y Concepción empleando la RUV como fuente de energía. Contribuyendo con dos herramientas que estiman valores de radiación solar espectral ultravioleta para su uso en cualquier estudio futuro que requiera datos sobre UVER o RUV (variación espaciotemporal, valores promedios horarios o diarios, así como otras potenciales aplicaciones) en sitios de Chile. En esta tesis se aportó al conocimiento de (a) exposición solar según susceptibilidad individual por tipo de piel (Capítulo 4, Resultados 4.1, 4.2), (b) influencia indirecta de la RUV sobre la formación y descomposición de contaminantes urbanos fotosensibles (Capítulo 4, Resultado 4.1); (c) creación y aplicación de modelos empíricos y de transferencia radiativa para obtener datos de UVER y RUV en ciudades pobladas de Chile (Capítulo 4, Resultados 4.2 y 4.3.2), (d) obtención de mapas mensuales, estacionales y anuales de la exposición al UVER así contar con una climatología sencilla, disponible y validada del UVER en Chile Central (Capítulo 4, Resultado 4.3.1), y (e) aplicación de explotar el potencial de la RUV como fuente de energía para el tratamiento de aguas en ciudades pobladas (Capítulo 4, Resultado 4.3.2