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Este documento analiza el impacto del carbono negro (cn) en el glaciar huaytapallana, ubicado en la región central de perú. Se midió la concentración de cn en la superficie (0-2 cm de profundidad) y las propiedades físicas de la nieve del glaciar. Estos datos se utilizaron para evaluar el efecto del cn en el albedo de la nieve del glaciar huaytapallana a través de un modelo de transferencia radiativa. Se determinó que la concentración media de cn fue de 38,16 ± 30,81 ppb y que el forzamiento radiativo del cn en la nieve fue en promedio de 16,13 ± 12,64 w m-2, aumentando hasta dos veces más en las temporadas de invierno y primavera. Finalmente, se encontró que la deposición de cn afecta significativamente el forzamiento radiativo, lo que sugiere que este impacto debe considerarse en los modelos hidrológicos para predecir la disponibilidad futura de agua, especialmente en lugares donde el escurrimiento depende del deshielo de los glaciares.
Tipo: Monografías, Ensayos
1 / 125
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¡No te pierdas las partes importantes!
i
Asesor local:
BLGO. ALVAREZ TOLENTINO, DANIEL
Asesor externo:
ING. SUAREZ SALAS, LUIS
iii
Dedico esta tesis a mi madre, Pilar, quien desde el cielo me protege a
cada momento y cuando estuvo en vida me enseño lo necesario para
defenderme y luchar en todo momento. A mi padre, Robert, quien con su
apoyo moral me brinda las fuerzas necesarias para continuar en los
momentos más difíciles; a mis hermanos, Estefany y Carlos, quienes
siempre me apoyaron de alguna manera.
¡Muchas gracias familia!
iv
Quiero agradecer al Laboratorio de Microfísica Atmosférica y Radiación
(LAMAR) instalado en el Observatorio de Huancayo del Instituto Geofísico del
Perú (IGP) por darme la oportunidad de realizar mi tesis en sus instalaciones. A
la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional (USAID, por
sus siglas en inglés) por apoyarme económicamente para cubrir los gastos de
esta investigación a través del Proyecto PEER-aerosoles “Impact of
transboundary biomass burning pollution transport over the Central Andes of
Peru”. Un especial agradecimiento al Ing. Luis Suarez y al Blgo. Daniel Alvarez
por sus valiosas asesorías y capacitaciones en adquisición, procesamiento y
análisis estadístico de los datos. Así mismo al Dr. Carl Schmitt por su
colaboración con el análisis de los filtros colectados en el glaciar Huaytapallana
para cuantificar la concentración del carbono negro (CN). Al Dr. Mark Flanner
por su valiosa colaboración con el modelo de transferencia radiativa Nievo,
Hielo, Aerosol (SNICAR, por sus siglas en inglés). A los Dres. Jose Flores y
René Estevan por sus valiosas observaciones con los resultados preliminares y
contribuciones con los parámetros de entrada al modelo SNICAR para mejorar
los resultados. A mis tíos Roli Ramos y Edith Torres ya que sin ellos no hubiera
sido posible la pronta sustentación de esta investigación antes de viajar a Brasil
para comenzar mis estudios de posgrado. También a todos los que de alguna
manera me ayudaron con el desarrollo de esta investigación.
- 2.1.1. Antecedentes de la investigación - Marco conceptual - 2.2.1. Términos, definiciones y conceptos - Marco teórico - 2.3.1. Ciclo hidrológico - 2.3.2. Cuenca hidrográfica - 2.3.3. Glaciares..................................................................................... - 2.3.4. Balance de masa de un glaciar - 2.3.5. Balance de energía de un glaciar - 2.3.6. Procesos físicos de la capa de nieve - 2.3.7. Los contaminantes atmosféricos - 2.3.8. Carbono negro - 2.3.9. Transferencia radiativa - 2.3.10. Dinámica atmosférica - 2.3.11. Modelos numéricos ix
% : Porcentaje
MINAM : Ministerio del Ambiente.
ANA : Autoridad Nacional del Agua.
INAIGEM : Instituto Nacional de Investigación en Glaciares y Ecosistemas
de Montaña.
IGP : Instituto Geofísico del Perú.
SENAMHI : Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología.
SNICAR : Snow Ice Aerosol Radiative.
HYSPLIT : Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory
CN : Carbono negro.
CO : Carbono orgánico.
OHY : Observatorio de Huancayo.
IPCC : Panel Intergubernamental del Cambio Climático.
NASA : National Aeronautics and Space Administration.
NCAR : National Center for Atmospheric Research.
SZAP : American Climber Science Program.
LAHM : Light Absorption Heating Method
N : Norte
S : Sur
E : Este
W : Oeste
ng : Nano gramo
ppb : parte por billón
μ : micrometros.
x
CCVC : Contaminantes Climáticos de Vida Corto
10
: Material Particulado de 10 μg.
PM2.5 : Material Particulado de 2,5 μg.
GEI : Gases de Efecto Invernadero.
PALs : Partículas Absorbentes de Luz.
4
: metano.
3
: ozono.
W m
- 2
: watts por metro cuadrado.
SP2 : Single Particle Soot Photometer.
𝒏
: balance neto
PAH : Hidrocarburos Policíclicos Aromáticos.
𝝀 : longitude de onda.
NOAA : National Oceanic and Atmospheric Administration de Estados
Unidos.
xii
Pág.
Figura 1. Ciclo hidrológico del agua. 14
Figura 2. Cuenca Hidrográfica. 15
Figura 3. Partes de un glaciar. 16
Figura 4. Balance de masa en un glaciar. 17
Figura 5. Balance de energía para una capa de nieve plano. 19
Figura 6. Procesos que conducen a la formación de partículas diésel. 23
Figura 7. Perfil de temperatura vertical y estructura de la atmósfera. 26
Figura 8. Estimación del forzamiento radiativo de los años 1950, 1980 y 2011.
Figura 9. Resumen esquemático de las fuentes primarias de emisiones de
carbono negro y de los procesos que controlan la distribución del carbono negro
en la atmósfera. 29
Figura 10. Cuando el viento interactúa con un sistema de montañas. 30
Figura 1 1. (a) brisa de valle, (b) brisa de montaña. 31
Figura 1 2. El espectro electromagnético en términos de su longitud de onda en
μm, frecuencia en GHz y número de onda en cm
Figura 13. Depleción de la intensidad radiante al atravesar un medio de
extinción. 38
Figura 1 4. Transferencia de la intensidad solar difusa desde abajo en capas
plano-paralelas. 41
Figura 1 5. Diagrama de flujos de los pasos seguidos en este estudio para
conseguir los objetivos planteados. 57
xiii
Figura 1 6. Estructura de nuestro diseño descriptivo transeccional. 58
Figura 1 7. Estructura de nuestro diseño explicativo transeccional. 59
Figura 1 8. Ubicación del glaciar Huaytapallana. 62
Figura 19. Prueba de normalidad para los datos de concentración de CN. 68
Figura 20. (a) variación de la temperatura de aire, (b) variación de la
precipitación, (c) variación de la humedad relativa y (d) variación de la radiación
incidente de onda corta. Todas las variables a una resolución mensual en el
glaciar Huaytapallana. 78
Figura 21. Radio efectivo de las nubes (a) para 17 de enero y (b) para el 29 de
junio del 2016, el punto negro indica la ubicación del glaciar Huaytapallana.
Figura 22. Variación horaria del ángulo cenital solar para el glaciar
Huaytapallana.
Figura 2 3. Variación mensual de los días de campaña del ángulo cenital solar
para el glaciar Huaytapallana. 81
Figura 2 4. Densidad de la nieve en el glaciar Huaytapallana para los días de
campaña. 82
Figura 2 5. Variación temporal de la concentración del carbono negro en la nieve
del glaciar Huaytapallana. 84
Figura 2 6. Reducción del albedo de la superficie del glaciar Huaytapallana.
Figura 27. Trayectorias hacia atrás comenzando desde el glaciar Huaytapallana
(punto verde) para los días de campaña. Los puntos rojos muestran los focos
de calor desde el 1 de noviembre de 2015 hasta el 31 de octubre de 2016. 87
Figura 28. Forzamiento radiativo por la deposición de CN en el glaciar
Huaytapallana. 89
xv
El impacto del carbono negro (CN) en la criósfera está recibiendo creciente
atención en la comunidad científica, debido a que estaría contribuyendo con el
acelerado derretimiento de los glaciares. La Cordillera Huaytapallana en la región
central del Perú, es también vulnerable a este efecto, se ha estimado que su
superficie glaciar disminuyó en 56% en los últimos 27 años. Por ello, se midió la
concentración del CN en la superficie (0-2 cm de profundidad) y las propiedades
físicas de la nieve del glaciar desde noviembre del 2015 hasta octubre del 2016.
Estos datos se usaron para evaluar el efecto del CN en el albedo de la nieve del
glaciar Huaytapallana a través de un modelo de transferencia radiativa. La
concentración del CN se determinó utilizando un nuevo Método termo/óptico de
Calentamiento por Absorción de Luz (LAHM, por sus siglas en inglés). Con ello
se determinó la concentración media de CN que fue en promedio 38 ,16±30, 81
ppb. Los valores más altos del CN fueron encontrados en las estaciones de
invierno y primavera. Luego, se empleó el modelo de transferencia radiativa de
Nieve, Hielo, y Aerosol (SNICAR, por sus siglas en inglés) para determinar el
efecto del incremento del CN en la disminución del albedo del glaciar. Con los
valores de campo obtenidos del CN y propiedades físicas de la nieve, se estimó
que hubo una reducción que oscilo entre 0 , 54 hasta 6 , 3 1% del albedo del glaciar.
También se determinó el forzamiento radiativo del CN en la nieve que fue en
promedio 16 , 13 ± 12 , 6 4 W m
, pero en las estaciones de invierno y primavera fue
incremento hasta dos veces más 25 , 15 ± 10 , 72 W m
prueba de Spearman es encontró que la deposición de CN afecta
significativamente al forzamiento radiativo
2
. Por lo tanto, desde el
punto de vista del balance de energía, el impacto de la deposición de CN en el
retroceso de los glaciares de la Cordillera Huaytapallana es importante y debe
ser considerado en los modelos hidrológicos de predicción futura de
disponibilidad de agua sobre todo en los lugares donde la escorrentía es apoyada
por el descongelamiento de glaciares.
Palabras claves: carbono negro, nieve, forzamiento radiativo.
xvi
Impact of black carbon (BC) in the cryosphere is receiving increased attention
among the scientific community due that it would be contributing with the
accelerating melting of glaciers. Huaytapallana snow mountain in central region
of Peru, is also vulnerable to this effect, it has been estimated that its glacier area
has been reduced in 56% during the last 27 years. For that, we measured the BC
concentration in surface (0-2 cm deph) and snow physical properties of glacier.
These data were used to evaluate the effect of BC in the albedo of the snow of
the Huaytapallana glacier through a radiative transfer model. Concentration of
snow BC was determined using Light Absorption Heating Method (LAHM) it was
analyzed the monthly superficial fresh snow samples from Huaytapallana glacier,
since November 2015 to October 2016. With LAHM it was determined a mean of
BC concentration was 38,16±30,81 ppb. The highest values were found in the
winter and spring seasons. Later, it was used the SNow, ICe and Aerosol
Radiative model (SNICAR) for determining the effect of the increase of BC on the
reduction of the snow albedo. With fieldwork data of the concentration BC and
snow physical properties, it was estimated that there was a reduction of range
0, 54 to 6 , 31 % of snow albedo. The radiative forcing of the BC was also
determined in the snow, which was on average 16,13±12,64 W m
, but in the
winter and spring seasons it was increased up to two times plus 25,15±10,72 W
m
affects radiative forcing (𝑅
2
= 0. 83 ). Therefore, from the point of view of the energy
balance, the impact of the deposition of BC in the retreat of the glaciers of the
Huaytapallana Mountain Range is important and should be considered in the
hydrological models of future predictions of water availability especially in the places
where the runoff is supported by the thawing of glaciers.
Keywords: black carbon, snow, radiative forcing.
Caracterización de la realidad problemática
Los contaminantes climáticos de vida corta (CCVC) son un problema global,
debido a que juegan un rol importante sobre el clima, la salud pública y
actividades socioeconómicas (p. ej., la agricultura). Dentro de los CCVC se
encuentran el carbono negro (CN), el ozono troposférico (O 3
), el metano
4
) y el material particulado (PM
). El CN es un absolvedor eficiente de
la radiación solar, al estar suspendido en la baja atmósfera contribuye con
el forzamiento radiativo, puede alterar la microfísica de las nubes y al
depositarse sobre la nieve modifica su albedo, favoreciendo así a la fusión
de los glaciares (Bond et al., 2013). Los estudios epidemiológicos
proporcionan suficiente evidencia de la asociación de la morbilidad y la
mortalidad cardiopulmonar con la exposición al CN (OMS, 2012).
En América del Sur se encuentran el 99% de los glaciares tropicales del
mundo y el 71% de estos están en Perú (Vuille et al., 2008a, 2008b;
Chevalier et al., 2011). En las últimas décadas los glaciares de Perú han
experimentado retrocesos significativos para mencionar algunos de ellos, la
Cordillera Blanca en un 30%, la Cordillera Vilcanota en un 33% y la
Cordillera Huaytapallana en un 58% (ANA, 2014). Si bien el retroceso de
los glaciares en la región tropical está asociado al calentamiento global,
muchos autores coinciden que no es posible explicar el retroceso acelerado
de los glaciares asociando solo a este factor, sino que hay otros que es aún
más importante y que aún no sido estudiado (López et al, 2014; Schmitt et
al., 2015). Los registros de temperatura y precipitación sugieren que los
glaciares de los Alpes europeos debieron haber seguido crecido hasta 1910,
pero estos comenzaron a retroceder abruptamente en 1850, lo que ha sido
durante mucho tiempo una paradoja para la glaciología y la climatología. El
forzamiento radiativo al incrementar la deposición del CN en la nieve puedo
ser el conductor de este abrupto retroceso de los glaciares Alpinos (Painter
et al., 2013), debido a que el forzamiento radiativo había aumentado
escalonadamente de 13-17 W m
entre 1850– 1880 , y 9-22 W m
a
principios de 1990.
Los glaciares son una fuente importante de recursos hídricos en épocas
secas. En la región Junín, estos contribuyen significativamente para el
abastecimiento de agua para el consumo humano, la agricultura, la
ganadería y actividades socioeconómicas. Por ello, su entendimiento de los
factores que contribuyen con su retroceso será de suma importancia para
informar a la comunidad científica y a los tomadores de decisiones para que
promuevan su conservación.
Formulación del problema
1.2.1. Problema general
forzamiento radiativo en la nieve del glaciar Huaytapallana?