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Tesis:

Estudio de la distribución espacial de aerosoles y gases traza en la atmósfera de Madrid mediante la técnica DOAS

  • Autor: GARCÍA NIETO, David

  • Título: Estudio de la distribución espacial de aerosoles y gases traza en la atmósfera de Madrid mediante la técnica DOAS

  • Fecha: 2020

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/66000/

  • Director/a 1º: SAIZ LÓPEZ, Alfonso

  • Resumen: This thesis is focused on measurements of trace gases in the atmosphere of Madrid (Spain) and their assessment and relationship with urban pollution and air quality. The remote-sensing, ground-based Multi AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAXDOAS) technique has been used. A complete analysis of NO2, HONO, glyoxal and formaldehyde vertical concentration profiles in the urban atmosphere of Madrid has been performed. Our MAXDOAS-1D instrument (located within the city centre) was operating during the entire year of 2016 allowing the retrieval of diurnal and seasonal cycles of these trace gases. Using DOAS spectral fitting methods and a radiative transfer model, information on vertical columns and their altitude-distributed concentrations were retrieved. The RTM simulates the atmosphere, resulting in vertical profiles of the aerosols extinction coefficients, nitrogen dioxide, nitrous acid, glyoxal and formaldehyde concentrations. A new MAXDOAS-2D instrument was built from scratch and a complete analysis of O4 and NO2 vertical concentration profiles in the urban atmosphere of Madrid (Spain) has been performed over two months (from May 6 to July 5, 2019). It provides a two-dimensional view (in height and Viewing Azimuth Angle) of irradiance extinction and NO2 concentration profiles. Moreover, we also carried out the HONO analysis, providing vertical, two-dimensional profiles of this trace gas as well. We inferred data on the horizontal gradient of NO2 within the surface layer making use of the different light paths travelled by photons at different spectral regions. The “onion-peeling” method yielded peak values of NO2 in the early morning and in the southern section of the city (around 180 ° VAA). We suggest that the new mesoscale information provided by the MAXDOAS-2D instrument may help in the study of pollution transport dynamics in Madrid. In addition, it is shown that this technique complements very well the in situ monitoring of trace gases, providing information at a larger spatial scale for the overall analysis of air pollution in Madrid. ----------RESUMEN---------- Esta tesis está centrada en las medidas de gases traza en la atmósfera de Madrid (España) y su evaluación, así como la relación que tienen con la contaminación urbana y la calidad del aire en la ciudad. Para ello, la técnica de medidas desde tierra Multi AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAXDOAS) ha sido utilizada. Se ha llevado a cabo un análisis completo de los perfiles verticales de concentración de NO2, HONO, glioxal y formaldehído en la atmósfera de Madrid. Nuestro instrumento MAXDOAS-1D (situado en el centro de la ciudad) proporcionó medidas durante todo el año 2016, a partir de las cuales se obtuvieron perfiles diurnos y estacionales de todos los gases traza mencionados. Empleando la técnica DOAS, así como modelos de transferencia radiativa, se han calculado perfiles verticales de varios compuestos, proporcionando así información acerca de la distribución en altura de los mismos. Los modelos de transferencia radiativa simulan la atmósfera, junto con todos sus procesos físicos y químicos asociados. El resultado que facilitan son los perfiles verticales optimizados de diversos gases traza. Por otra parte, un nuevo instrumento MAXDOAS-2D con capacidad para medir en dos dimensiones angulares ha sido desarrollado desde cero para esta tesis. De manera análoga a cómo se ha utilizado el instrumento MAXDOAS-1D, se han llevado a cabo análisis de perfiles verticales de O4 y NO2 en la atmósfera de Madrid durante dos meses del año 2019. Estos análisis proporcionan una visión bi-dimensional (en altura y en ángulo azimutal) de los perfiles verticales de extinción de irradiancia y de NO2. Además, también se ha llevado a cabo una evaluación de perfiles verticales de HONO para ambos meses. Asímismo, a partir de los espectros registrados se ha inferido el gradiente horizontal de NO2 dentro de la capa límite (la más cercana a la superficie terrestre) aplicando el concepto de que fotones pertenecientes a distintas regiones espectrales recorrerán -estadísticamente- caminos ópticos de distinta longitud. Para ello, se ha seguido la aproximación numérica conocida como “capas de cebolla”, quedando como resultado general una mayor concentración superficial de NO2 en la parte sur de la ciudad (en torno a 180º de azimut, y de acuerdo con estudios previos sobre la distribución esperada de los contaminantes en Madrid). Sugerimos con este trabajo que la información de mesoescala proporcionada por el instrumento MAXDOAS-2D puede ser de gran ayuda en el estudio de la dinámica de transporte de contaminantes en Madrid. Además, se muestra aquí que esta técnica complementa muy bien la red de monitores in situ de la Comunidad de Madrid, siendo capaz de ofrecer información a una escala espacial mayor que dichos instrumentos para una evaluación más completa de la contaminación urbana entendida como un todo.