Solar irradiance and actinic flux in the UV Range : advances in the characterization of the cloudy

El descenso de la columna de ozono registrado en las ultimas decadas ha provocado un aumento de los niveles de radiacion UV en superficie. Debido a este hecho, y sabiendo que esta radiacion produce efectos sobre la quimica de la atmosfera y sobre la biosfera, ha sido necesaria la monitorizacion del campo radiativo en el intervalo del UV, tanto del flujo actinico como de la irradiancia. Estas dos variables se han medido tanto en su regimen espectral como integrado. Una de las variables que representa la irradiancia UV es el indice UV, UVI, que describe los niveles de esta radiacion en superficie que producen eritema o quemadura solar en la piel humana. Con respecto al flujo actinico, se estudia la velocidad de fotolisis del ozono, J(O1D). Los principales factores que modulan el flujo radiativo en el UV que llega a la superficie terrestre son la elevacion solar, la nubosidad, el ozono, el aerosol, al albedo superficial, y la altitud. Sin embargo, el efecto de las nubes sobre el flujo radiativo no es del todo conocido debido a la carencia de medidas de propiedades de nubes, que muestran una gran variabilidad tanto espacial como temporal, y que van a determinar los niveles finales de radiacion en superficie. Por lo tanto, el principal objetivo de este trabajo es caracterizar el flujo radiativo bajo condiciones de cielos totalmente cubiertos. Un gran numero de instrumentos ha sido necesario en la realizacion de esta tesis doctoral en tres estaciones europeas. Se han realizado medidas de la irradiancia espectral (componente global y difusa), del flujo actinico espectral, del UVI y J(O1D), del espesor optico de las nubes (COT), del contenido de agua liquida (LWP), del radio efectivo de las gotas de las nubes (reff), de la columna de ozono (TOC), de la cubierta, base y cima de las nubes, del espesor optico de aerosoles (y su distribucion vertical). Se han utilizado tambien simulaciones con el modelo de transferencia radiativa libRadtran, lo mas precisas posibles considerando en las entradas propiedades de nubes y aerosoles, el tipo de atmosfera, el albedo superficial, entre otros. La caracterizacion del UVI y J(O1D) en condiciones de cielos totalmente cubiertos se ha realizado con datos experimentales y simulados. El angulo cenital solar (SZA) y la TOC conservan un papel relevante en el escenario de cielos totalmente cubiertos, mientras que el aerosol solo muestra un efecto importante para el J(O1D). Como el factor de modificacion de nubes (CMF) se ha utilizado para investigar el efecto de estas, ha sido necesaria una buena estimacion bajo cielos despejados. Se ha estudiado la dependencia del CMF para el UVI y el J(O1D) en funcion del COT. Los resultados obtenidos tanto experimentales como simulados son muy similares. Ademas, no hay diferencias significativas entre el CMF(UVI) y el CMF(J(O1D)). La relacion entre el CMF y el COT se puede establecer como CMF = 1 / (1 * a COT). Con respecto a la dependencia espectral (determinada de dos formas distintas usando el COT y medidas de propiedades microfisicas de nubes), los CMFs para la irradiancia global y difusa y el flujo actinico tienen diferentes tendencias. El CMF para la componente global de la irradiancia aumenta hasta los 320 nm, y decrece a partir de esta longitud de onda con un efecto del SZA no muy marcado. El CMF para el flujo actinico, por encima de los 320 nm, presenta tres tendencias: un ligero aumento para bajos SZAs, un decrecimiento para moderados SZAs, y una fuerte tendencia decreciente para altos SZAs. El CMF para la irradiancia difusa aumenta con la longitud de onda. Los fenomenos involucrados en la atenuacion de la radiacion UV en presencia de nubes son la dispersion sobre moleculas y particulas de aerosol y nubes, y la absorcion por el ozono. Estos procesos provocan los siguientes mecanismos: reflexiones multiples entre la nube y la atmosfera de encima, una mayor absorcion por ozono, una dependencia con el SZA y la longitud de onda en la atenuacion, y fotones llegando desde el zenit por el efecto Umkehr (mas efectivo para las longitudes de onda mas pequenas). Estos efectos se tienen que tener en consideracion cuando se estan calculando los efectos biologicos, puesto que si se supone un CMF constante con la longitud de onda, se produce una importante sobreestima de la radiacion UV. En el analisis realizado con las propiedades microfisicas de nubes, las gotas con un radio efectivo mas pequeno van a producir una mayor atenuacion de los flujos radiativos en el escenario de cielos totalmente cubiertos. Con respecto al diferente comportamiento entre la irradiancia y el flujo actinico, mientras que la irradiancia es mas fuertemente atenuada para bajos SZAs, el flujo actinico muestra los valores mas pequenos de CMF a altos SZAs. Esto se debe a la diferente definicion de las dos variables, y por lo tanto, al diferente peso de las componentes directa y difusa. Un caso particular que presenta una capa de aerosol desertico debajo de la capa de nubes (de 8 octas) se ha usado para determinar el impacto del aerosol en la transmitancia de la nube. El modelo libRadtran se ha usado para realizar un analisis de sensibilidad ante las propiedades de nubes y aerosol. Los resultados indican que el albedo de dispersion simple del aerosol es un factor muy relevante que afecta tanto a la componente global como a la difusa del CMF. Mientras que las propiedades opticas de las nubes (el albedo de dispersion simple y el factor de asimetria) determinan los valores y la dependencia espectral del CMF (tanto global como difuso), otros parametros como la altura de la base de la nube o el espesor geometrico de la capa de nubes toman un papel menos relevante.