Caracterización de las tormentas de polvo africano en la isla de

CARACTERIZACIÓN DE LAS TORMENTAS DE
POLVO AFRICANO EN LA ISLA DE GRAN CANARIA
M. D. GELADO (1), P. DORTA (2), J. P. DÍAZ (2), J. J. HERNÁNDEZ (1,3)
C. COLLADO (1), M. J. SOMOZA (1), P. CARDONA (1) y V. SIRUELA (1)
(1) Facultad de Ciencias del Mar, Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, España (mgelado@dqui.ulpgc.es)
(2) Universidad de La Laguna, Tenerife, España (3) Instituto Canario de Ciencias Marinas, Gran Canaria, España.
RESUMEN
Pico de la
Gorra
Tafira
Las tormentas de polvo sobre las Islas Canarias son una situación meteorológica que tiene importantes repercusiones sobre las actividades locales, especialmente sobre la
agricultura y la salud humana. En este trabajo, se han estudiado las entradas de polvo medidas en la isla de Gran Canaria durante diferentes períodos 1997-1998 y 2002-2003.
La materia particulada en suspensión (MPS) se recoge utilizando captadores de alto volumen (CAV) localizados en lo alto de la isla de Gran Canaria( 1930 m). Se determina la
composición de algunos metales (Al, Fe, Mn, etc) en los filtros después de una digestión ácida. Se ha observado una variación estacional de las entradas de polvo africano con
flujos máximos en invierno y verano y con mayores concentraciones de partículas (media 78 µg m-3) en invierno. Los especiales rasgos geográficos del relieve de la isla de Gran
Canaria parecen determinar la altitud de la intrusión del polvo. Se han encontrado buenas correlaciones entre las altas concentraciones de MPS y los datos meteorológicos
durante los períodos de estudio.
Taliarte
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
El principal objectivo de este estudio es caracterizar los niveles de MPS y la composición de metales traza en el aerosol en la isla de Gran Canaria. El muestreo de la MPS se
realiza en tres lugares de la isla, simultáneamente. El primer lugar, la estación del “Pico de la Gorra” localizada a 1930 m, que se caracteriza por ser un área rural libre del
impacto de polución de fuentes locales. La segunda, “Tafira” a 269 m, se ve afectada por fuentes antropogénicas urbanas. Por último, “ Taliarte” situada al nivel del mar, con
posible influencia de la presencia de aerosoles marinos (ver Figura 1: arriba). Se presenta la variabilidad espacial y temporal de la concentración de MPS durante los cuatro
años de estudio y se realiza, a su vez, el análisis de metales traza para determinar las diferentes fuentes de aerosoles en la atmósfera canaria.
Figura 1.- Arriba: Lugares de muestreo en la isla de
Gran Canaria. Abajo: izquierda; CAV en la estación de
Pico de la Gorra (1930 m). Derecha; filtros secos antes y
después de ser recogidos.
Figura 2.- Dos días de calima en la Isla de Gran Canaria. Izquierda: Pico de la Gorra (1930 m) 5 de Enero del 2004. Derecha: Taliarte el 3 de Marzo del 2004. Imágenes cedidas por P.Cardona; M.D.Gelado y C.Collado.
Concentración MPS( µg m-3)
P.Gorra 1997-1998
600
P. Gorra 2002-2003
1313 1104
METODOLOGÍA
5586
1143
500
400
300
200
100
0
03
2-1
01
03
0-1
01
03
8-0
01
03
6-0
01
03
4-0
01
03
2-0
01
02
2-1
01
02
0-1
01
02
8-0
01
02
6-0
01
02
4-0
01
02
2-0
01
01
2-1
01
98
2-1
01
98
0-1
01
98
8-0
01
98
6-0
01
98
4-0
01
98
2-0
01
97
2-1
01
97
0-1
01
97
8-0
01
97
6-0
01
97
4-0
01
97
2-0
01
96
2-1
01
Concentración de aerosol mineral
(µgr/m3)
Figura 3.- Variabilidad en la concentración de polvo ( en µg m-3) durante los periodos 1997-1998 y 20022003 en la estación de Pico de la Gorra.
300
250
200
Otoño
22%
1997
1998
2002
2003
150
100
Invierno
33%
Verano
25%
50
Primavera
20%
0
E
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
mes
Figura 4.- Distribución mensual de las concentraciones
medias durante el periodo de muestreo.
Figura 5.Distribución estacional de las
entradas de polvo sahariano según los datos de
concentración
de
polvo
y
criterios
meteorológicos en los periodos de estudio en
Gran Canaria.
Elemento
Media Aritmética (± σ)
Min-Max
Al
2610.8 (3313.1)
342.4-10864.3
6.8-16828.2
Fe
2175.1(3458.6)
Mn
14.9 (15.4)
1.9-60.5
Mg
7200(2896)
3.3-16.2
Co
0.54 (1.3)
0.2-1.3
Cu
6.7(7.5)
0.6-23.6
Pb
10.4 (8.0)
3.3-36.1
Los niveles de MPS se determinaron diariamente durante 12 horas utlizando CAV. Las partículas se recogieron sobre filtros Whatman
GF/A y 41 y las concentraciones se calcularon por gravimetría (Ver Figura 1: abajo, derecha). Después de la digestión ácida (detalles en
Guieu,1991), las disoluciones fueron analizadas para determinar los metales traza por Espectroscopía de Absorción Atómica con Horno de
Gráfito (GFAAS) y Espectroscopía de Absorción Atómica con llama (FAAS). El origen de las masas de aire para cada día muestreado fue
interpretado basándose en: a) determinación de las retrotrayectorias isentrópicas a cinco días (a 750, 1500, 2000 and 2500 m.a.g.l., cada
6 horas) usando el modelo HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory, Draxler and Rolph, 2003) b) evaluación
diaria de imágenes TOMS (NASA; Herman et al., 1997) y mapas de aerosoles SKIRON (Athens University, Kallos et al., 1997); c)
evaluación de imágenes de satélite SeaWIFS-NASA para la detección de las plumas de polvo (McClain et al., 1998); y d) evaluación de
datos meteorológicos (Dorta, 1999).
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
La Figura 3 muestra la fuerte variabilidad de las concentraciones diarias de MPS durante los años 1997-1998 y 2002 -2003. Para estos
mismos años se presentan en las Figuras 4 y 5, la distribución mensual de las concentraciones medias del aerosol y su distribución
estacional, respectivamente.
Las concentraciones más altas de partículas fueron observadas en invierno, especialmente para Enero y Febrero. Se alcanzan valores
por encima de 5000 µg/m3 en enero de 2002 (ver Figura 3). La distribución estacional también indica que los eventos de polvo son más
frecuentes en invierno y verano. La intrusión de las masas de aire desde el continente Africano produce “pulsos” de polvo que duran una
media de 3-8 días. Un ejemplo de un evento de polvo durante el invierno se muestra en la Figura 8 (ver comentarios). Durante los
episodios de invierno, las concentraciones de MPS, en días saharianos, medidas en los diferentes lugares de muestreo (Figura 1)
presentaban valores más altos en Tafira y Taliarte. Las concentraciones medidas en Pico de la Gorra fueron, en general, menores pero
más altas que la concentración media (45 µg/m3) recogida en la serie temporal de MPS. Se ha sugerido que los especiales rasgos
geográficos del relieve de la isla de Gran Canaria pueden determinar la altitud de la intrusión del polvo (Falke et al., 2001).
La media aritmética de las concentraciones de Al, Fe, Mn, Mg, Co, Cu y Pb se dan en la Tabla 1. Las concentraciones de estos metales
durante diferentes eventos y para el caso particular del evento de enero del 2002 aparecen en la Figura 6.
Existen importantes desviaciones estándar de las concentraciones medias de cada elemento durante los eventos estudiados, debido a la
fuerte variabilidad de la concentración del aerosol mineral en las muestras analizadas (30-720 µg/m3).
Se han encontrado buenas correlaciones entre las concentraciones de Fe y Al (r=0.986, n=22), Fe y Co (r= 0.954, n= 33) y Fe y Mn
(r=0.871, n= 27) en las muestras de polvo. No se ha obtenido correlación entre el Pb y Al. La relación encontrada para el Fe/Al es de 0.53
± 0.08. Esta relación es equivalente a la relación Al/Fe en la corteza erosionable (0.52: Martin y Whitfield, 1983).
Respecto a las concentraciones de Mn y Co se obtiene, a su vez, una importante variabilidad durante este estudio. Las relaciones Mn/Al
y Co/Al fueron de 1.38x10-2 y 5.30x10-4, respectivamente. Estas relaciones son bastantes similares a las relaciones de masas de los
elementos crustales respecto al aluminio dados por Arimoto et al. (1995) en la atmósfera del Atlántico Norte.
La relaciones Cu/Al (2.82x10-3± 1.98x10-3) y Pb/Al (8.30x10-3± 6.17x10-3) presentaron valores más altos que los publicados para la
composición de la corteza (corteza superior Masson, 1982; corteza erosionable Martin and Whitfield, 1983).
La fracción en exceso (Xs, porcentaje de origen no terrígeno) derivada del cálculo del factor de enriquecimiento fue calculada para el
Co, Cu, Fe, Mn y Pb. Un porcentaje medio de los flujos del 11 % de hierro, 40% de cobalto, 55% de manganeso, 71% de cobre y 94% de
plomo se asocian con aerosoles no crustales. El Pb es movilizado, principalmente, por las actividades humanas y su coeficiente de
variación es bajo (6%) durante el periodo estudiado.
Tabla 1.- Composición de metales traza en el aerosol (ng m-3), durante los eventos de polvo
Sahariano recogido en la estación de Taliarte en el 2002.
07/01 19/03 23/04 22/06 05/10
400
200
20
0
0
(e)
(f)
4
20
20
4
3
2
1
15
10
5
0
15
10
2
07/01 19/03 23/04 22/06 05/10
0
05/01 07/01 10/01 11/01 12/01
(f)
25
20
10
8
6
4
05/01 07/01 10/01 11/01 12/01
15
10
5
2
0
0
0
07/01 19/03 23/04 22/06 05/10
40
20
12
3
80
60
(e)
14
1
5
0
07/01 19/03 23/04 22/06 05/10
Co (ng/m3)
5
Cu (ng/m3)
25
Pb (ng/m3)
25
100
05/01 07/01 10/01 11/01 12/01
(d)
5
120
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
05/01 07/01 10/01 11/01 12/01
07/01 19/03 23/04 22/06 05/10
(c)
(b)
600
Mn (ng/m3)
60
40
07/01 19/03 23/04 22/06 05/10
(d)
Co (ng/m3)
80
Cu (ng/m3)
0
(a)
800
100
Pb (ng/m3)
10
(c)
120
Mn (ng/m3)
Fe (µg/m3)
Al (µg/m3)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Fe (µg/m3)
(b)
30
MPS (µg/m3)
(a)
40
0
05/01 07/01 10/01 11/01 12/01
05/01 07/01 10/01 11/01 12/01
m-3)
Figure 6.- Izquierda: Concentración de Al y Fe (µg
y Mn, Co, Pb y Cu (ng m-3) para
diferentes eventos durante el 2002. Derecha: Concentración de MPS y Fe (µg m-3) y Mn, Co,
Pb y Cu (ng m-3) durante el episodio de enero de 2002.
REFERENCIAS
Arimoto, R., Duce, R.A., Ray, B.J.Ellis, W.G., Cullen J.D. and Merrill, J.T. 1995. Trace elements in the atmosphere
over the North Atlantic. Journal of Geophysical Research,Vol.100,No.D1, 1199-1213.
Dorta Antequera, P.1999. Las invasiones de aire sahariano en Canarias. Consejería de Agricultura Pesca y
Alimentación del Gobierno de Canarias, 287 pp.
Draxler, R.R. and Rolph, G.D. 2003. HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) Model
access via NOAA ARL READY Website (http://www.arl.noaa.gov/ready/hysplit4.html). NOAA Air Resources
Laboratory, Silver Spring, MD.
Falke S.R., Husar R.B. and Schichtel, B.A. 2001. Fusion of SeaWiFS and TOMS Satellite Data with Surface
Observations and Topographic Data during Extreme Aerosol Events. Journal of Air & Waste Management
Association, November, Vol. 51, number 11.
Guieu, C. 1991. Apports atmospheriques a la Mediterranee Nord-Occidentale. Thesis, L’Universite Paris 6, Paris,
225 pp.
Herman J.R., Bhartia P.K., Torres O., Hsu C., Seftor C., Celarier E.1997. Global distribution of UV- absorbing
aerosols from Nimbus7/TOMS data. Journal of Geophysical Research, 201, 16911- 16922.
Kallos G., Kotroni V., Lagouvardos K. 1997. The regional weather forecasting system SKIRON: an overview. In:
Proceedings of the Symposium on regional weather prediction on parallel computer environments, University of
Athens, Greece, pp. 109-122.
Martin, J.M., and Withfield, M.1983.The significance of the river input of chemical elements to the ocean, in Traces
Metals in Sea Water, edited by C.S. Wong et al., pp.265-296, Plenum, New York.
Mason, B., 1982. Principles of Geochemistry, 3rd ed., 310 pp., John Wiley, New York.
McClain C.R., Cleave M.L., Feldman G.C., Gregg W.W., Hooker S.B., Kuring N. 1998. Science Quality SeaWiFS
Data for Global Biosphere Research. Sea Technology, 39 (9), 10-15.
Torres-Padrón, M.E., Gelado-Caballero,M.D., Collado-Sánchez, C., Siruela-Matos, V, Cardona-Castellano,P. and
Hernández-Brito,J.J. 2002. Variability of dust inputs to the CANIGO zone. Deep Sea-Research II, 49, 3455-3464.
06/01/02
Fotos de Oscar Bergasa
Una intensa tormenta de polvo africano envió una masiva pluma de polvo hacia el oeste sobre el Océano Atlántico el 6 de enero del
2002, envolviendo a las Islas Canarias en lo que ha llegado a ser una de las peores tormentas de arena registradas en este área, con
una duración de 10 días en las dos primeras semanas de enero (del 6 al 15).
Este evento fue causado por la presencia de un anticiclón sobre la Península Ibérica. El modelo de retrotrayectorias (HYSPLIT), datos
de satélite (TOMS) y la imagen de color del MODIS se emplean para describirlo. Estos episodios reducen significativamente la
visibilidad (Ver fotos derecha: Las Palmas de Gran Canaria a las 15 h de un día sin calima y el 6 de enero de 2002) y causan daños
sobre actividades locales, especialmente sobre la agricultura y la salud humana. Por otra parte, el polvo es una fuente importante de
material litogénico en la región canaria (Torres-Padrón et al., 2002).
Figura 8.- Ejemplo de un evento de polvo durante el invierno que afectó a las Islas Canarias desde el 6 de enero de 2002.
AGREDECIMIENTOS
Este trabajo ha sido financiado por el proyecto INTERREG IIIB, CLIMAAT MAC/2.3/A3 y los proyectos del Ministerio de Ciencia y
Tecnología de España, CALIMA REN2002-00722 y del Gobierno Autónomo de Canarias Nº 2001/086. Además queremos agradecer a
Patricia López y Dácil Curbelo su valiosa colaboración en la preparación de los análisis de metales traza.