Historia del LFA

El año 1995, gracias a la iniciativa de un grupo de investigadores de la Carrera de Física de la Universidad Mayor de San Andrés (UMSA) y a un financiamiento del fondo de pequeñas donaciones del PNUD (Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo) se creó el Laboratorio de Ozono y Radiación Ultravioleta (LORUV) en el barrio de Cota Cota de la ciudad de La Paz (16.5 º S, 68.1º W y 3420 msnm).

La intención al crear el LORUV fue la de cuantificar los niveles de radiación ultravioleta (RUV) en la ciudad de La Paz. Si bien en ese entonces teníamos la sospecha de que los niveles de la RUV en la ciudad de La Paz eran elevados, por la altitud de la ciudad respecto al nivel del mar y su cercanía al Ecuador, era necesario comprobar estas sospechas realizando cuidadosas medidas de laboratorio. El objetivo final de la iniciativa era, de ser necesario, el de alertar a la población sobre los riesgos relacionados a una exposición elevada a la RUV.

Unos meses después de la creación del laboratorio, el LORUV contó con la cooperación científica del Laboratorio de Ozono del Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) del Brasil llegando a integrar la red sudamericana de monitoreo de la capa de ozono liderada por ese instituto. Años más tarde, el LORUV amplió sus fronteras de estudio a diversos temas relacionados a la física de la atmósfera, siendo necesario rebautizar al laboratorio como: Laboratorio de Física de la Atmósfera (LFA).

Los primeros pasos

El desafío de adquirir datos de la RUV en la ciudad de La Paz implicaba la dificultad de disponer de un instrumento que permitiera realizar las mediciones de manera confiable, continua y económica. Inicialmente comenzamos a trabajar diseñando y construyendo un instrumento propio, aplicando nuestra muy limitada experiencia en el área. Los primeros resultados de este proyecto nos permitieron obtener medidas espectrales de la radiación, desde aproximadamente 260 nm hasta los 800 nm. Desafortunadamente la calidad de estos resultados no era fiable por motivos de calibración y estabilidad del sistema.

Gracias a la colaboración de un colega boliviano que trabaja en el INPE, el Dr. René Medrano, el LORUV se vio favorecido con el apoyo del laboratorio de ozono de esta institución brasileña. En el marco de esta colaboración, se firmó un convenio que permitió incorporar a nuestro laboratorio instrumentos de alta calidad para medir la RUV y otros parámetros atmosféricos de interés. Un instrumento particularmente importante para nuestros estudios, debido a que permitió medir la RUV y la columna de ozono con alta precisión, fue un espectrofotómetro Brewer.


Fundadores

Los fundadores del laboratorio durante una campaña de intercalibración del espectrofotómetro Brewer realizada en el Campus Universitario de Cota Cota.


 

UV

Valores del índice de radiación ultravioleta a lo largo del año 1998 para diferentes ciudades en Sudamérica. La Paz, a pesar de no ser la más cercana al Ecuador, muestra los niveles más altos mientras que Punta Arenas, en el sur, los más bajos.


 

Los primeros resultados

Los primeros resultados de los niveles de la RUV obtenidos con el Brewer confirmaron nuestras sospechas sobre el tema: la intensidad de la RUV que incide sobre la ciudad de La Paz es extremadamente alta.

Estas observaciones dieron inicio a un trabajo de largo aliento relacionado a explicar los riesgos y los cuidados que debería tener la población respecto a este tema, dando inicio a la denominada Campaña de la Radiación Ultravioleta, tema desarrollado en el siguiente link (link a la campaña UV).

Otros resultados interesantes obtenidos con el Brewer fueron los relacionados a las medidas de la columna de ozono sobre la ciudad de La Paz (La columna de ozono es la cantidad de ozono que se encuentra desde la superficie del planeta hasta la parte más alta de la atmósfera). Los resultados mostraron que el ozono sobre la ciudad de la Paz tenía valores dentro de lo esperado para nuestra latitud, esto es un promedio de 255 DU (Unidades Dobson) con un comportamiento estacional que varía entre 230 y 280 DU.

Teniendo datos confiables para analizar y contando con los instrumentos adecuados para medir la RUV y el ozono, estábamos en condiciones de emprender nuevos desafíos. Por este motivo, enfocamos nuestra atención a la realización de nuevos experimentos con el fin de comprender mejor el comportamiento de la RUV en atmósfera paceña y los efectos que ésta puede causar sobre seres humanos, animales y materiales.

Para fortalecer nuestro conocimiento sobre los temas relacionados a la RUV y adquirir nuevos contactos para futuros proyectos, decidimos realizar el simposio “Naturaleza y Efectos de la Radiación Ultravioleta y la Capa de Ozono”, invitando a varios investigadores internacionales. El evento fue un éxito y nos permitió, como se había planificado, entablar importantes relaciones de colaboración científica con otros centros de investigación.

Abriendo nuevas fronteras

La prioridad del LFA durante sus primeros años tuvo como fin medir y caracterizar a la RUV y compartir con la sociedad, mediante la Campaña de la Radiación Ultravioleta, la información científica recolectada. Paulatinamente los investigadores del LFA adquirieron más experiencia al realizar e interpretar las mediciones.
Varios de los procedimientos realizados en el laboratorio se convirtieron en rutinarios, de tal manera, que los investigadores disponían de tiempo adicional para explorar algunos temas nuevos principalmente relacionados con la física de la atmósfera y el cambio climático.

Durante el año 1998, se decidió ampliar formalmente las actividades del laboratorio incluyendo el estudio y monitoreo de gases de efecto invernadero, los aerosoles, el modelado climático y estudios meteorológicos. Fue en esa ocasión que se decidió rebautizar al LORUV con el nombre más ambicioso de Laboratorio de Física de la Atmósfera (LFA), en coincidencia con la inauguración de la nueva infraestructura construida por la UMSA para el laboratorio.

Medida de gases superficiales

Los primeros pasos de este nuevo emprendimiento estuvieron relacionados con medidas de dióxido de carbono en superficie. Para tal efecto, se empleó monitores de CO2 por absorción. Se instaló uno de estos detectores (LI-COR 820) en el laboratorio del campus universitario de Cota Cota y se utilizó un segundo instrumento como monitor viajero, instalándolo sucesivamente en diferentes sitios, desde Chacaltaya hasta Cobija, en la región amazónica. Si bien los datos obtenidos solamente contaban con la intercalibración entre ambos detectores, nos permitieron comprender, de un modo general, el ciclo diario del CO2 para diferentes localidades y sus respectivas variaciones de concentración. Posteriormente, se incorporaron a las medidas rutinarias del LFA otros detectores de gases superficiales como el CO y O3.

Aerosoles, esas pequeñas partículas

Otra área de estudio abordada por el LFA, que está relacionada al cambio climático y a la salud pública, es la de los aerosoles (partículas en suspensión en la atmósfera). Con la intención de entender los mecanismos de transporte del material particulado desde las tierras bajas hacia la zona Andina, producido principalmente por la quema de la cobertura vegetal (chaqueos), el LFA instaló en el campus universitario de Cota Cota, un fotómetro solar Cimel de la red mundial de monitoreo de aerosoles AERONET. Este instrumento pudo ser instalado gracias a la colaboración del Goddard Space Flight Center de la NASA.


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Fotómetro solar CIMEL instalado en la azotea del LFA.


El fotómetro se encuentra funcionando continuamente desde el año 2005 y proporciona el valor del AOT (Aerosol Optical Thickness) durante las horas de sol, para 7 bandas espectrales (340, 380, 440, 500, 675, 870 y 1020 nm). La información correspondiente a las medidas de AOT en La Paz puede ser consultada en línea en la siguiente página web: http://aeronet.gsfc.nasa.gov

Otro instrumento relacionado al estudio de los aerosoles, de gran importancia para el trabajo que se realiza en el LFA, es un impactador en cascada MOUDI (ver figura 10), el cual permite obtener concentraciones acumuladas de partículas en suspensión de acuerdo a su tamaño. El instrumento es capaz de discriminar a las partículas en ocho diferentes grupos de acuerdo a su tamaño aerodinámico, desde los 0.18 hasta los 18 micrómetros.

Las muestras así colectadas permiten realizar un análisis posterior del material particulado para que, mediante otras técnicas como son la difracción de rayos X, el análisis químico o la microscopía electrónica, se pueda determinar los elementos y/o compuestos que constituyen la muestra.

 

Modelando el clima de Bolivia

Otra área en la cual el LFA se encuentra trabajando desde el año 2007 es en la implementación y evaluación de resultados de modelos numéricos climáticos de escala regional (RCM por sus siglas en inglés). El objetivo de este proyecto, que cuenta con el apoyo de la Embajada del Reino Unido, es el de estudiar el clima presente y futuro de Bolivia empleando modelos numéricos adecuados a nuestras capacidades locales. La compleja topografía de Bolivia hace particularmente complicado el modelar procesos relacionados con el clima de la región. Esta situación nos obliga a realizar distintos experimentos de modelaje que permitan mejorar la calidad de las proyecciones climáticas para el futuro. Adicionalmente, el modelo debe ser validado contrastando sus resultados contra las observaciones actuales. Observaciones de temperatura y precipitación sobre el territorio nacional se usaron para ese propósito.

Los resultados más importantes de este estudio, basados en el modelo PRECIS desarrollado por Hadley Centre del Reino Unido a una resolución espacial de 50 km, indican que el modelo realiza un trabajo razonable, tanto en el caso de las temperaturas como el de las precipitaciones, para las tierras bajas de Bolivia (definidas en el trabajo como aquellas regiones con altura menor 500 msnm). Por el contrario, el modelo sobreestima fuertemente la precipitación en las regiones con un fuerte gradiente altitudinal como es la región de los valles centrales y valles Andinos. Asimismo se observa una subestimación de las temperaturas máximas en la región del Altiplano. A pesar de estos sesgos, pues muestra temperaturas elevadas y alta precipitación en verano y bajas temperaturas y baja precipitación en invierno, el modelo es capaz de representar correctamente la estacionalidad de temperaturas y precipitación en todas las regiones de estudio.


Modelado_1


Actualmente se está “corriendo” el modelo a 25 km de resolución para tratar de entender mejor las posibles consecuencias debidas a un aumento en la concentración de gases de efecto invernadero. Asimismo, con la colaboración del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología de Bolivia (SENAMHI), se está trabajando en la mejora de la calidad de los datos observacionales a fin de poder validar adecuadamente las salidas de los distintos
modelos.

Juipitaya, una aventura en el Altiplano

Gracias a un financiamiento de la fundación Volkswagen, el LFA, conjuntamente con el Instituto Meteorológico de la Universidad de Munich, realizó una campaña de medición de ocho semanas en el Altiplano Boliviano. El objetivo principal del proyecto fue el de estudiar la circulación diurna de las masas de aire en el Altiplano. Para tal efecto, se instalaron estaciones meteorológicas en los lugares de interés del estudio, se utilizaron globos meteorológicos para determinar el perfil de vientos mediante la técnica del doble teodolito y se determinó el perfil de temperatura y humedad mediante el uso de un vehículo radiocontrolado (KALI). Adicionalmente a los estudios relacionados a la circulación del aire, se realizaron medidas de la RUV con radiómetros de banda ancha, se midió el contenido total de aerosoles empleando un fotómetro solar NOLL y se determinó el contenido total de ozono y de vapor de agua utilizando un fotómetro solar MICROTOPS.

El estudio encontró que la circulación diurna del Altiplano deja una huella clara en los datos de la localidad de Tambo Quemado. Típicamente en esa localidad y a modo de ejemplo, los datos de las estaciones meteorológicas muestran que hay un viento del este después de la salida del sol, el cual es poco a poco reemplazado por los vientos del oeste. Los resultados del modelo de circulación de Zangl y Egger (2005) coinciden con estos hallazgos. Por otro lado, hay muchos días en los cuales el viento del oriente no evoluciona y dominan vientos del oeste. Es probable que esto refleje la influencia de la circulación a gran escala que va principalmente con vientos del oeste en esta región.

Otro sitio interesante de estudio fue el valle del Río de La Paz, donde el régimen de vientos es extremadamente recurrente. Se observan vientos que van en la dirección de subida del valle casi todos los días. Los mismos transportan masas de aire al interior del Altiplano. Sin embargo, es necesario realizar mayores estudios para determinar en qué medida esos vientos contribuyen a la circulación general diurna del Altiplano. La relativa sequedad de los vientos mencionados sugiere que el aire que llega a la estación meteorológica durante el día no se origina en las tierras bajas húmedas sino que desciende de niveles superiores de la atmósfera. De esta manera, el sistema de vientos del valle de La Paz parece estar parcialmente cerrado.

Sueños que se hacen realidad: El LIDAR

Los primeros años del laboratorio estuvieron llenos de desafíos con el fin de realizar medidas atmosféricas de calidad e interpretar correctamente los resultados. Paulatinamente, el LFA pudo adquirir un mayor número de instrumentos que permitieron y permitirán comprender, de una manera más integral, los efectos atmosféricos locales. Sin embargo, el poder adquirir un instrumento de detección remota, como es un LIDAR (Light Detection and Ranging), que emplea un potente haz de luz láser para poder monitorear algunas características de la atmósfera, parecía estar fuera del alcance del laboratorio tanto por la complejidad del instrumento como por el costo que implica el mismo.

A pesar de lo mencionado, el año 2002 el LFA obtuvo un Lidar gracias a una donación de la Agencia Espacial Europea (ESA). El instrumento, que consistía de un láser de Alexandrita, un telescopio tipo newtoniano y el respectivo sistema de adquisición de datos, nunca llegó a funcionar adecuadamente debido a fallas electrónicas en la fuente de alimentación del láser. Algunos años más tarde, en el 2009, gracias a la colaboración del grupo Raman Lidar del Goddard Space Flight Center de la NASA (GSFC – NASA) el LFA pudo disponer de un nuevo láser de Nd:YAG junto con otros instrumentos ópticos. Esta colaboración dio un impulso adicional a la iniciativa y permitió a los investigadores del LFA rediseñar y reensamblar un nuevo sistema Lidar, el cual fue bautizado como LIPAZ (Lidar
en La Paz, ver figura 11).


LIDAR


Actualmente, el LIPAZ se encuentra funcionando en las instalaciones de la Universidad Mayor de San Andrés y ha sido empleado para realizar estudios preliminares de la denominada capa límite. En particular los estudios realizados durante la época de la fiesta de San Juan y algunos episodios de transporte de humo desde las tierras bajas, permitieron entender mejor la evolución de la mencionada capa.

Estación GAW – CHC

En el monte de Chacaltaya se hicieron mediciones meteorológicas desde el año 1943 y de física cósmica desde 1947. Luego empezó a funcionar, desde 1952, el Laboratorio de Rayos Cósmicos de Chacaltaya. Este laboratorio, fue a semilla de la ciencia en Bolivia, desarrollando un importante conjunto de investigaciones científicas relacionadas a los rayos cósmicos y dando paso a la creación de la Facultad de Ciencias Puras y Naturales de la Universidad Mayor de San Andrés. Trabajos experimentales realizados en Chacaltaya por Cesar Lattes, Giuseppe Occhialini y Cecil Powell, con el fin de verificar las predicciones teóricas de la teoría de Yukawa, culminaron en el descubrimiento de una importante partícula subatómica: el pión. Gracias a este trabajo, Powell y Yukawa se hicieron acreedores al Premio Nobel de Física en los años 1950 y 1949 respectivamente.

Desde los inicios del LFA, uno de los anhelos de sus investigadores fue poder instalar en Chacaltaya un laboratorio de referencia internacional en temas relacionados a la Física de la Atmósfera. La idea tenía un gran sustento científico gracias a la estratégica ubicación geográfica del lugar: la gran altitud del monte y su cercanía a la
Amazonía y al Altiplano.

La idea de instalar un laboratorio de medidas atmosféricas en Chacaltaya, compartiendo los ambientes del laboratorio de Rayos Cósmicos, poco a poco fue tomando forma. El año 2009 se envió a la Organización Meteorológica Mundial (WMO) la propuesta de creación de una estación de GAW (Global Atmosphere Watch) en Chacaltaya y, el 14 de enero del 2010, esta organización envió una carta aceptando la propuesta. De esta manera se dio inició a la creación de la nueva estación GAW-CHC (Global Atmosphere Watch – Chacaltaya), cuyo objetivo principal es el de monitorear gases reactivos, gases de efecto invernadero y aerosoles (ver figura 12).

Prestigiosos centros de investigación de Francia (Grenoble University / LGGE, Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement / LSCE y Laboratoire de Physique Météorologie), Italia (Instituto de Ciencias de la Atmósfera y el Clima / ISAC), Alemania (Instituto Leibniz para la troposfera), Suecia (IFT/Universidad de Estocolmo), Suiza (Paul Scherrer Institute / PSI) y USA (el grupo de Raman Lidar del Goddard Space Flight Center de la NASA (GSFC – NASA)) han unido sus esfuerzos para apoyar la iniciativa del Laboratorio de Física de la Atmósfera de la Universidad Mayor de San Andrés. Localmente el Instituto de Investigación para el Desarrollo (IRD) de la cooperación francesa participa activamente ayudando a fortalecer la iniciativa. Adicionalmente el LFA mantiene una estrecha colaboración con otras instituciones locales como son el Servicio de Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI), el Proyecto Regional Andino de Adaptación al Cambio Climático (PRAA) y la Red de Monitoreo de la Calidad del Aire (MoniCA).

En los últimos años el transporte de material particulado desde las tierras bajas hacia los Andes se ha incrementado considerablemente. Este hecho está relacionado principalmente al desarrollo de la agricultura en las tierras bajas. Las partículas que se depositan sobre la superficie de los glaciares pueden cambiar las propiedades ópticas de los mismos, disminuyendo el albedo del glaciar y reteniendo una mayor cantidad de energía. Como resultado, se tiene un posible aumento de la velocidad de retroceso de los glaciares. Adicionalmente, estudios realizados en los Himalayas sugieren que el material particulado transportado a largas distancias puede contribuir al calentamiento local hasta en una décima de grado centígrado.

Para poder estudiar los fenómenos mencionados, varios de los instrumentos que fueron instalados en la estación GAW–CHC caracterizan a las partículas en suspensión. En este sentido, la distribución de tamaño de las partículas, sus propiedades ópticas y químicas y el número de total de las mismas, son medidas que se realizan sistemáticamente manteniendo cuidadosos procedimientos de funcionamiento y calibración.


CHC

CHC_1


Los análisis preliminares de las medidas realizadas desde enero del 2012 muestran algunos resultados interesantes: por ejemplo en algunos casos se observa el transporte de masas de aire desde el área metropolitana de La Paz hacia Chacaltaya. También, se observa la presencia de monóxido de carbono, atribuible en el periodo de esas mediciones, al transporte urbano. Otros instrumentos detectaron la presencia de valores elevados de hollín. Sin embargo, cuando las masas de aire que arriban a Chacaltaya provienen de zonas no contaminadas (el Altiplano y/o la región Amazónica, por ejemplo), los valores de las medidas de hollín son bajos. Las medidas dióxido de carbono indican que el aire transportado desde el Pacífico parece tener una concentración mayor de este gas que el aire proveniente del continente sudamericano. La diferencia, de unas 3 ppmv (partes por millón de volumen), podría deberse a procesos naturales de captura de CO2. El comportamiento de otros gases monitoreados requiere un mayor tiempo de observación para poder realizar un correcto análisis.

En conclusión y mirando al futuro

El LFA ha adquirido ya una etapa de madurez después de 16 años de trabajo continuo. En este periodo el LFA ha realizado varios proyectos de investigación relacionados a la RUV y sus efectos. Desde el año 1998 se encuentra estudiando, tanto en la ciudad de la la Paz como en el monte de Chacaltaya, algunos gases superficiales relacionados a la contaminación urbana y al cambio climático y los aerosoles atmosféricos de la zona. Estos estudios pretermitirán comprender, entre otras cosas, los mecanismos del transporte del material particulado desde las tierras bajas hacia la zona Andina y los efectos que los aerosoles tiene sobre en el balance energético de los glaciares. Adicionalmente, el LFA se encuentra realizando modelos climáticos de escala regional con el fin de estudiar el clima presente y futuro de Bolivia.

Con el fin de prevenir a la población sobre los riesgos que implica una elevada dosis de RUV, el LFA dio inicio y realiza exitosamente la Campaña de la Radiación Ultravioleta. Como parte de esta campaña y con la intención de dar a conocer su producción e interactuar con la sociedad, el LFA ha producido una gran cantidad de material bibliográfico y de multimedia: artículos internacionales y nacionales, libros, videos, boletines mensuales de prensa, folletos, trípticos, afiches, posters y páginas web (www.chacaltaya.edu.bo y www.lfabolivia.org).

Además organizó diferentes seminarios nacionales e internacionales sobre los temas de su interés, entre los cuales vale la pena destacar: el seminario “Naturaleza y Efectos de la Radiación Ultravioleta y la Capa de Ozono” (1996), el “Congreso Latinoamericano de Radiación UV” (2004) y el “VI Workshop on Lidar Measurements in LatinAmerica” (2011).

Quedan, sin embargo, muchos desafíos hacia el futuro. Es necesario consolidar los proyectos en marcha. El crecimiento trajo consigo, de manera natural, el requerimiento de mayor personal calificado. Gracias a un proyecto del IDH de la UMSA se tiene financiamiento, hasta el año 2013, que asegura el funcionamiento de la estación en Chacaltaya pero deben buscarse recursos económicos y profesionales que permitan la operación de la estación por muchos años más (la única manera que una estación de monitoreo climático tenga verdadero sentido).

Un desafío y un deseo del laboratorio es el de conseguir que más investigadores nacionales se preparen y se involucren en la temática ya que, por el momento, las investigaciones del LFA avanzan gradualmente gracias al trabajo de su limitado personal y a la colaboración de colegas en Europa y Estados Unidos.