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NILU-UV
NILU-UV (Radiómetro Multicanal de Ancho de Banda Moderada)

 

Descripción del Instrumento

Principio de Medida

Metodología de Modelización

Determinación del Ozono Total

Determinación de la Dosis de Radiación UV Biológicamente Activa

Determinación de la Transmitancia de la Nubes

Referencias

 

 NILU-UV en la estación de Belgrano

                                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      Figura 1 

 

Descripción del Instrumento 

 

El NILU-UV es un radiómetro multicanal (Ver Figura 1) que mide en varios canales del UV-Vis del espectro solar. Se caracteriza principalmente por su fácil manejo, bajo mantenimiento y robustez al no posee partes móviles. A pesar de su sencillez de diseño posee un alto grado de versatilidad gracias al software de procesado que permite obtener, a partir de las medidas de irradiancia, el contenido total de ozono, las dosis de radiación biológicamente activa, el UV-A y UV-B integrado y la transmitancia de las nubes.

 

 

Principio de Medida  

 

El radiómetro NILU-UV está formado por dos módulo: la óptica de medida (Ver Figura 2) y la memoria interna (Ver Figura 3). Ambos módulos están alojados en el interior de un contenedor cilíndrico (Diámetro = 17,2 cm; Altura = 19,5 cm; Peso = 3,3 Kg) preparado para la intemperie.

La óptica de medida del instrumento está formada por un difusor de teflón, diseñado para dar una buena respuesta coseno, por 5 o 6 filtros pasabanda según el modelo, que seleccionan el rango de medida en el espectro UV, y por un número igual de detectores fotosensibles de silicio (Figura 1). Estos detectores transforman la radiación entrante en impulsos eléctricos que son amplificados, digitalizados y convertidos a valores absolutos de irradiancia. A través de un control de temperatura interno, los detectores se mantienen a una temperatura constante de unos 40 ºC.

El NILU-UV mide la irradiancia total (directa + difusa) en 5 bandas del espectro UV con longitudes de onda centrales de 305, 312, 320, 340 y 380 nm respectivamente. Cada canal tiene un ancho de banda aproximado de 10 nm (FWHM). Algunos modelos (NILU-UV) tienen, además, un sexto canal (400 - 700 nm) que cubre la radiación fotosinteticamente activa (Photosynthetical Active Radiation, PAR).

El instrumento realiza una secuencia de medidas para cada canal, almacenando estos datos junto con la temperatura en la memoria interna. Este ciclo lo realiza rápidamente por lo que podemos hablar de medidas simultáneas para todos los canales. Las medidas se toman cada segundo y se almacenan promedios de 1 minuto durante 3 semanas a partir de las cuales comienza a borrarse los datos más antiguos. Para la adquisición de datos y el funcionamiento del control de temperatura sólo es necesario una fuente de corriente de 24 W (12 V y 2 A max.). Los datos guardados en la memoria interna pueden ser volcados a un ordenador a través del puerto RS-232 usando un programa de adquisición. Todas estas características dotan al NILU-UV de bastante autonomía de funcionamiento.

 

 

 Canales del NILU-UV  Memoria interna del NILU-UV

                     Figura 2                                                                             Figura 3

 


 

Metodología de Modelización  

 

A partir de las medidas de irradiancia realizadas, se puede determinar mediante modelización el contenido total de ozono en columna, las dosis de radiación biológicamente activa y el factor de transmitancia de las nubes. Los algoritmos que se utilizan han sido desarrollados por Dahlback (1996), y para su aplicación únicamente se requiere que al menos uno de los canales esté en la región UV-B (sensible al ozono y a las nubes) y otro en el UV-A (sensible a las nubes pero no al ozono).


Para la modelización se ha utilizado un modelo de transferencia radiativa por ordenadas discretas (Stammes et al., 1988) que incluye modificaciones para la curvatura de la Tierra (Dahlback y Stamnes, 1991) necesarias para ángulos cenitales solares grandes. Este modelo considera todos los órdenes de múltiple scattering y absorción, y trata a la superficie de la Tierra como un reflector de Lambert. El modelo trabaja con una atmósfera multicapa definida con perfiles estándar de ozono, presión y temperatura (U.S. Standard Atmosphere 1976). El modelo tiene en cuenta tanto el scattring molecular como la absorción y scattering de las nubes. Las secciones eficaces de absorción del ozono fueron tomadas de Paur y Bass (1985), las secciones eficaces de scattering de Rayleigh de la fórmula empírica de Nicolet (1984) y las nubes fueron parametrizadas siguiendo el esquema de Hu y Stamnes (1993). Como espectro solar extraterrestre se utilizó el espectro solar de alta resolución Atlas3 interpolado con un paso de 1 nm y convolucionado a una función respuesta de 1 nm de FWHM.

 

 

Determinación del Ozono Total 

 

Para la determinación del contenido total de ozono se calcula el cociente entre dos canales del NILU-UV, uno en la región UV-A (320 nm, no sensible al ozono) y el otro en el UV-B (312 nm, sensible al ozono) como se muestra en la siguiente ecuación

 

N (z,O3) = V320 (z) / V312 (z,O3)

 

donde N(z,O3) es el cociente entre los dos canales que depende del ángulo cenital solar (z) y del contenido total de ozono (O3), y V es la señal de cada canal previamente calibrado. El contenido total de ozono se obtiene con la comparación de este cociente con otro modelado (Modelo de Transferencia Radiativa) para las mismas longitudes de onda y ángulo cenital.

 

 

Determinación de la Dosis de Radiación UV Biológicamente Activa

 

La dosis de radiación UV biológicamente activa se calcula con la siguiente expresión

 

D = Sum( ai · Vi ) · E(z,O3)

 

donde ai son coeficientes que dependen de la función eritemática (CIE, Commission Internationale de I'Eclairage), calculados con el modelo de transferencia radiativa, y E(z,O3) es una función error que depende del ángulo cenital solar y del contenido total de ozono. Para los NILU-UV, sólo son necesarios 4 canales (305, 320, 340 y 380 nm) para la determinación de estas dosis de radiación UV y la función de error (E(z,O3)) se aproxima a la unidad (Dahlback, 1996).

 

 

Determinación de la Transmitancia de la Nubes 

 

Para la determinación de la transmitancia de las nubes (CLT, Cloud transmission factor) se calcula el cociente entre la señal del canal de 340 nm, sensible a las nubes pero no al ozono, con el valor modelado para ese mismo canal en condiciones de cielo despejado y albedo superficial cero.

CLT = 100 · ( V340 (z) / Vmodelo (z) )

 

 

Referencias 

 

Atlas3 Extra-terrestrial solar spectrum: FTP://susim0.nrl.navy.mil/pub/atlas3/


Dahlback, A. (1996): "Measurements of biologically effective UV doses, total ozono abundances, and cloud effects with multichannel, moderate bandwidth filter instruments". Appl. Opt., 35, 6514-6521.


Dahlback, A., and K. Stammes (1991): "A new spherical model for computing the radiation field available for photolysis and heating at twilight". Planet. Space. Sci., 39, 671-683.


Hu, Y.X., and K. Stamnes (1993): "An accurate parameterization of the radiative properties of water clouds suitable for use in climate models". J. Climate, 6, 728-742.


Nicolet, M. (1984): "On the molecular scattering in the terrestrial atmosphere. An empirical formula for its calcuation in the homosphere". Planet. Space. Sci., 32, 1467-1468.


Paur, R.J., and A.M. Bass (1985): "The ultraviolet cross-sections of ozone. II. Results and temperature dependence ". in Atmospheric Ozone, Proceedings of the Quadrennial Ozone Symposium, Halkidiki, Greece, (Reidel, Hingham, Mass., 1985), 611-616.


Stamnes, K., S.C. Tsay, W.J. Wiscombe, and K. Jayaweera (1998): "Numerically stable algorithm for discrete-ordenate-method radiative transfer in multiple scattering and emitting layered media". Appl. Opt., 27, 2502-2509.


U.S. Standard Atmosphere 1976, National Oceanic and Atmospheric Administration, National Aeronautic and Space Administration, U.S. Air Force (GPO, Washington, D.C., 1976).