Emissions de N2O i desnitrificació en sòls agrícoles i d'ecosistemes naturals. Factors de regulació

La major conscienciació actual dels problemes de pol·lució que acompanyen les pèrdues de N del sòl cap a l'atmosfera ha reorientat les investigacions cap a un coneixement més profund dels processos implicats en les emissions dels compostos nitrogenats que comporten un major perjudici des d'un punt de vista ecològic així com els seus principals factors reguladors. La creixent preocupació per l'increment de la concentració atmosfèrica de N2O és deguda a les seves interaccions amb la fotoquímica atmosfèrica i el balanç de radiació de la Terra ja que intervé en la destrucció de la capa estratosfèrica d'ozó, contribueix a l'efecte hivernacle i participa de la pluja àcida. Es considera que els sòls són la principal font de N2O atmosfèric. Al voltant del 90% d'aquestes emissions són d'origen biòtic; els principals processos implicats són la desnitrificació i la nitrificació. L'emissió del N2O produït a través d'aquests dos processos es caracteritza pels diferents nivells de regulació que presenta ja que depèn de la taxa dels processos, de la proporció de N canalitzada per cada procés cap a la producció de N2O i del seu consum dins el mateix sòl el qual està relacionat amb les dificultats en el transport cap a l'atmosfera. Això comporta una gran dificultat a l'hora d'aprofundir en el coneixement de les emissions de N2O del sòl cap a l'atmosfera i de la seva regulació. El desconeixement dels nivells d'emissió de N2O i de la importància de la desnitrificació així com de la seva regulació tant en sòls agrícoles com naturals de les nostres contrades és el principal punt de partida dels objectius d'aquest treball.

Desenvolupament de metodologia analítica per al seguiment d'herbicides fenoxiacètics i cafeïna en el medi ambient

El control d'herbicides i altres anàlits orgànics presents en el medi ambient constitueix una pràctica habitual en els laboratoris des de l'establiment de legislacions que limiten la seva concentració. Per aquesta raó, cal el desenvolupament de noves metodologies analítiques per al seguiment de compostos orgànics en el medi. Molt sovint aquests anàlits es troben a nivells traça en aigües i sòls, conjuntament amb un alt contingut de substàncies húmiques i fúlviques. Així, un dels reptes existents és el tractament de la mostra (extracció, concentració i "clean-up" d'aquests anàlits per a una bona quantificació). Aquests processos han de venir complementats per tècniques cromatogràfiques que permetin la mesura final dels anàlits. La investigació que es presenta en aquesta tesi es centra en el desenvolupament d'un mètode per a la determinació de 2,4-D i MCPA i els seus metabòlits fenòlics i d'un altre per a la determinació de cafeïna. El primer dels procediments desenvolupats s'ha aplicat al seguiment dels herbicides i els metabòlits fenòlics en sòls d'un camp de golf, mentre que el segon s'ha emprat per a la determinació de cafeïna en aigües naturals i, posteriorment, en aigües residuals.

UV index measurement and model agreement: uncertainties and limitations

En les últimes dècades, l'increment dels nivells de radiació solar ultraviolada (UVR) que arriba a la Terra (principalment degut a la disminució d'ozó estratosfèric) juntament amb l'augment detectat en malalties relacionades amb l'exposició a la UVR, ha portat a un gran volum d'investigacions sobre la radiació solar en aquesta banda i els seus efectes en els humans. L'índex ultraviolat (UVI), que ha estat adoptat internacionalment, va ser definit amb el propòsit d'informar al públic general sobre els riscos d'exposar el cos nu a la UVR i per tal d'enviar missatges preventius. L'UVI es va definir inicialment com el valor màxim diari. No obstant, el seu ús actual s'ha ampliat i té sentit referir-se a un valor instantani o a una evolució diària del valor d'UVI mesurat, modelitzat o predit. El valor concret d'UVI està afectat per la geometria Sol-Terra, els núvols, l'ozó, els aerosols, l'altitud i l'albedo superficial. Les mesures d'UVI d'alta qualitat són essencials com a referència i per estudiar tendències a llarg termini; es necessiten també tècniques acurades de modelització per tal d'entendre els factors que afecten la UVR, per predir l'UVI i com a control de qualitat de les mesures. És d'esperar que les mesures més acurades d'UVI s'obtinguin amb espectroradiòmetres. No obstant, com que els costs d'aquests dispositius són elevats, és més habitual trobar dades d'UVI de radiòmetres eritemàtics (de fet, la majoria de les xarxes d'UVI estan equipades amb aquest tipus de sensors). Els millors resultats en modelització s'obtenen amb models de transferència radiativa de dispersió múltiple quan es coneix bé la informació d'entrada. No obstant, habitualment no es coneix informació d'entrada, com per exemple les propietats òptiques dels aerosols, la qual cosa pot portar a importants incerteses en la modelització. Sovint, s'utilitzen models més simples per aplicacions com ara la predicció d'UVI o l'elaboració de mapes d'UVI, ja que aquests són més ràpids i requereixen menys paràmetres d'entrada. Tenint en compte aquest marc de treball, l'objectiu general d'aquest estudi és analitzar l'acord al qual es pot arribar entre la mesura i la modelització d'UVI per condicions de cel sense núvols. D'aquesta manera, en aquest estudi es presenten comparacions model-mesura per diferents tècniques de modelització, diferents opcions d'entrada i per mesures d'UVI tant de radiòmetres eritemàtics com d'espectroradiòmeters. Com a conclusió general, es pot afirmar que la comparació model-mesura és molt útil per detectar limitacions i estimar incerteses tant en les modelitzacions com en les mesures. Pel que fa a la modelització, les principals limitacions que s'han trobat és la falta de coneixement de la informació d'aerosols considerada com a entrada dels models. També, s'han trobat importants diferències entre l'ozó mesurat des de satèl·lit i des de la superfície terrestre, la qual cosa pot portar a diferències importants en l'UVI modelitzat. PTUV, una nova i simple parametrització pel càlcul ràpid d'UVI per condicions de cel serens, ha estat desenvolupada en base a càlculs de transferència radiativa. La parametrització mostra una bona execució tant respecte el model base com en comparació amb diverses mesures d'UVI. PTUV ha demostrat la seva utilitat per aplicacions particulars com ara l'estudi de l'evolució anual de l'UVI per un cert lloc (Girona) i la composició de mapes d'alta resolució de valors d'UVI típics per un territori concret (Catalunya). En relació a les mesures, es constata que és molt important saber la resposta espectral dels radiòmetres eritemàtics per tal d'evitar grans incerteses a la mesura d'UVI. Aquest instruments, si estan ben caracteritzats, mostren una bona comparació amb els espectroradiòmetres d'alta qualitat en la mesura d'UVI. Les qüestions més importants respecte les mesures són la calibració i estabilitat a llarg termini. També, s'ha observat un efecte de temperatura en el PTFE, un material utilitzat en els difusors en alguns instruments, cosa que potencialment podria tenir implicacions importants en el camp experimental. Finalment, i pel que fa a les comparacions model-mesura, el millor acord s'ha trobat quan es consideren mesures d'UVI d'espectroradiòmetres d'alta qualitat i s'usen models de transferència radiativa que consideren les millors dades disponibles pel que fa als paràmetres òptics d'ozó i aerosols i els seus canvis en el temps. D'aquesta manera, l'acord pot ser tan alt dins un 0.1º% en UVI, i típicament entre menys d'un 3%. Aquest acord es veu altament deteriorat si s'ignora la informació d'aerosols i depèn de manera important del valor d'albedo de dispersió simple dels aerosols. Altres dades d'entrada del model, com ara l'albedo superficial i els perfils d'ozó i temperatura introdueixen una incertesa menor en els resultats de modelització.

Is Antarctic climate most sensitive to ozone depletion in the middle or lower stratosphere?

Antarctic stratospheric ozone depletion has been associated with an observed downward trend in tropospheric geopotential height and temperature. Stratospheric ozone depletion peaks in October–November, whereas tropospheric trends are largest in December–January, concurrent with maximum ozone changes close to the tropopause. Surface temperatures are most sensitive to ozone loss near the tropopause, therefore it has been suggested that the observed tropospheric response is forced mainly by ozone depletion in the lower stratosphere. In this study the climate response to ozone depletion exclusively below 164 hPa is simulated using HadSM3-L64, and compared with simulations in which ozone depletion is prescribed exclusively above 164 hPa. Results indicate that the tropospheric response is dominated by ozone changes above 164 hPa, with ozone changes in the lowermost stratosphere playing an insignificant role. A tropospheric response is also seen in fall/winter which agrees well with observations and has not been found in modeling studies previously.

Processes influencing ozone levels in Alaskan forest fire plumes during long-range transport over the North Atlantic

A case of long-range transport of a biomass burning plume from Alaska to Europe is analyzed using a Lagrangian approach. This plume was sampled several times in the free troposphere over North America, the North Atlantic and Europe by three different aircraft during the IGAC Lagrangian 2K4 experiment which was part of the ICARTT/ITOP measurement intensive in summer 2004. Measurements in the plume showed enhanced values of CO, VOCs and NOy, mainly in form of PAN. Observed O3 levels increased by 17 ppbv over 5 days. A photochemical trajectory model, CiTTyCAT, was used to examine processes responsible for the chemical evolution of the plume. The model was initialized with upwind data and compared with downwind measurements. The influence of high aerosol loading on photolysis rates in the plume was investigated using in situ aerosol measurements in the plume and lidar retrievals of optical depth as input into a photolysis code (Fast-J), run in the model. Significant impacts on photochemistry are found with a decrease of 18% in O3 production and 24% in O3 destruction over 5 days when including aerosols. The plume is found to be chemically active with large O3 increases attributed primarily to PAN decomposition during descent of the plume toward Europe. The predicted O3 changes are very dependent on temperature changes during transport and also on water vapor levels in the lower troposphere which can lead to O3 destruction. Simulation of mixing/dilution was necessary to reproduce observed pollutant levels in the plume. Mixing was simulated using background concentrations from measurements in air masses in close proximity to the plume, and mixing timescales (averaging 6.25 days) were derived from CO changes. Observed and simulated O3/CO correlations in the plume were also compared in order to evaluate the photochemistry in the model. Observed slopes change from negative to positive over 5 days. This change, which can be attributed largely to photochemistry, is well reproduced by multiple model runs even if slope values are slightly underestimated suggesting a small underestimation in modeled photochemical O3 production. The possible impact of this biomass burning plume on O3 levels in the European boundary layer was also examined by running the model for a further 5 days and comparing with data collected at surface sites, such as Jungfraujoch, which showed small O3 increases and elevated CO levels. The model predicts significant changes in O3 over the entire 10 day period due to photochemistry but the signal is largely lost because of the effects of dilution. However, measurements in several other BB plumes over Europe show that O3 impact of Alaskan fires can be potentially significant over Europe.

Alkyl nitrates in outflow from North America over the North Atlantic during Intercontinental Transport of Ozone and Precursors 2004

This paper is based on alkyl nitrate measurements made over the North Atlantic as part of the International Consortium for Research on Atmospheric Transport and Transformation (ICARTT). The focus is on the analysis of air samples collected on the UK BAe-146 aircraft during the Intercontinental Transport of Ozone and Precursors (ITOP) project, but air samples collected on board the NASA DC-8 and NOAA WP-3D aircraft as part of a Lagrangian experiment are also used. The ratios between the alkyl nitrates and their parent hydrocarbons are compared with those expected from chemical theory. Further, a box model is run to investigate the temporal evolution of the alkyl nitrates in three Lagrangian case studies and compared to observations. The air samples collected during ITOP do not appear to be strongly influenced by oceanic sources, but rather are influenced by emissions from the N.E. United States and from Alaskan fires. There also appears to be a widespread common source of ethyl nitrate and 1-propyl nitrate other than from their parent hydrocarbons. The general agreement between the alkyl nitrate data and photochemical theory suggests that during the first few days of transport from the source region, photochemical production of alkyl nitrates, and thus ozone, had taken place. The observations in the more photochemically processed air masses are consistent with the alkyl nitrate production reactions no longer dominating the peroxy radical self/cross reactions. Further, the results also suggest that the rates of photochemical processing in the Alaskan smoke plumes were small.

Four-dimensional variational assimilation of ozone profiles from the Microwave Limb Sounder on the Aura satellite

Ozone profiles from the Microwave Limb Sounder (MLS) onboard the Aura satellite of the NASA's Earth Observing System (EOS) were experimentally added to the European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) four-dimensional variational (4D-var) data assimilation system of version CY30R1, in which total ozone columns from Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY (SCIAMACHY) onboard the Envisat satellite and partial profiles from the Solar Backscatter Ultraviolet (SBUV/2) instrument onboard the NOAA-16 satellite have been operationally assimilated. As shown by results for the autumn of 2005, additional constraints from MLS data significantly improved the agreement of the analyzed ozone fields with independent observations throughout most of the stratosphere, owing to the daily near-global coverage and good vertical resolution of MLS observations. The largest impacts were seen in the middle and lower stratosphere, where model deficiencies could not be effectively corrected by the operational observations without the additional information on the ozone vertical distribution provided by MLS. Even in the upper stratosphere, where ozone concentrations are mainly determined by rapid chemical processes, dense and vertically resolved MLS data helped reduce the biases related to model deficiencies. These improvements resulted in a more realistic and consistent description of spatial and temporal variations in stratospheric ozone, as demonstrated by cases in the dynamically and chemically active regions. However, combined assimilation of the often discrepant ozone observations might lead to underestimation of tropospheric ozone. In addition, model deficiencies induced large biases in the upper stratosphere in the medium-range (5-day) ozone forecasts.

Sensitivity of Southern Hemisphere climate to zonal asymmetry in ozone

Climate model simulations of past and future climate invariably contain prescribed zonal mean stratospheric ozone. While the effects of zonal asymmetry in ozone have been examined in the Northern Hemisphere, much greater zonal asymmetry occurs in the Southern Hemisphere during the break up of the Antarctic ozone hole. We prescribe a realistic three-dimensional distribution of ozone in a high vertical resolution atmospheric model and compare results with a simulation containing zonal mean ozone. Prescribing the three dimensional ozone distribution results in a cooling of the stratosphere and upper troposphere comparable to that caused by ozone depletion itself. Our results suggest that changes in the zonal asymmetry of ozone have had important impacts on Southern Hemisphere climate, and will continue to do so in the future.

Peroxy radicals and ozone photochemistry in air masses undergoing long-range transport

Concentrations of peroxy radicals (HO2+ΣiRiO2) in addition to other trace gases were measured onboard the UK Meteorological Office/Natural Environment Research Council British Aerospace 146-300 atmospheric research aircraft during the Intercontinental Transport of Ozone and Precursors (ITOP) campaign based at Horta Airport, Faial, Azores (38.58° N, 28.72° W) in July/August 2004. The overall peroxy radical altitude profile displays an increase with altitude that is likely to have been impacted by the effects of long-range transport. The peroxy radical altitude profile for air classified as of marine origin shows no discernable altitude profile. A range of air-masses were intercepted with varying source signatures, including those with aged American and Asian signatures, air-masses of biomass burning origin, and those that originated from the east coast of the United States. Enhanced peroxy radical concentrations have been observed within this range of air-masses indicating that long-range transported air-masses traversing the Atlantic show significant photochemical activity. The net ozone production at clear sky limit is in general negative, and as such the summer mid-Atlantic troposphere is at limit net ozone destructive. However, there is clear evidence of positive ozone production even at clear sky limit within air masses undergoing long-range transport, and during ITOP especially between 5 and 5.5 km, which in the main corresponds to a flight that extensively sampled air with a biomass burning signature. Ozone production was NOx limited throughout ITOP, as evidenced by a good correlation (r2=0.72) between P(O3) and NO. Strong positive net ozone production has also been seen in varying source signature air-masses undergoing long-range transport, including but not limited to low-level export events, and export from the east coast of the United States.

Stratospheric temperature and radiative forcing response to 11-year solar cycle changes in irradiance and ozone

The 11-yr solar cycle temperature response to spectrally resolved solar irradiance changes and associated ozone changes is calculated using a fixed dynamical heating (FDH) model. Imposed ozone changes are from satellite observations, in contrast to some earlier studies. A maximum of 1.6 K is found in the equatorial upper stratosphere and a secondary maximum of 0.4 K in the equatorial lower stratosphere, forming a double peak in the vertical. The upper maximum is primarily due to the irradiance changes while the lower maximum is due to the imposed ozone changes. The results compare well with analyses using the 40-yr ECMWF Re-Analysis (ERA-40) and NCEP/NCAR datasets. The equatorial lower stratospheric structure is reproduced even though, by definition, the FDH calculations exclude dynamically driven temperature changes, suggesting an important role for an indirect dynamical effect through ozone redistribution. The results also suggest that differences between the Stratospheric Sounding Unit (SSU)/Microwave Sounding Unit (MSU) and ERA-40 estimates of the solar cycle signal can be explained by the poor vertical resolution of the SSU/MSU measurements. The adjusted radiative forcing of climate change is also investigated. The forcing due to irradiance changes was 0.14 W m−2, which is only 78% of the value obtained by employing the standard method of simple scaling of the total solar irradiance (TSI) change. The difference arises because much of the change in TSI is at wavelengths where ozone absorbs strongly. The forcing due to the ozone change was only 0.004 W m−2 owing to strong compensation between negative shortwave and positive longwave forcings.