Sensado remoto atmosféricos usando sistemas DOAS

Los sistemas DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) - como el instrumento Pandora, diseñado en el Goddard Space Flight Center, NASA, y comercializado por la empresa SciGlob Instruments & Services LLC, MD, USA) - son altamente recomendables para realizar mediciones remotas de gases atmosféricos, incluyendo las emisiones volcánicas.

Se sabe que los volcanes emiten gases y aerosoles a la atmósfera durante (y entre) las erupciones. Las principales moléculas emitidas incluyen: H2O, CO2, SO2, HF, HCl, H2, S2, H2S, CO y SiF4. Los gases volcánicos son una parte fundamental de la actividad volcánica y juegan un papel importante en el comportamiento de un volcán. La vigilancia de los aerosoles y gases volcánicos proporciona importantes conocimientos respecto a los procesos magmáticos, hidrotermales y atmosféricos.

Las mediciones de SO2 (dióxido de azufre) nos ofrecen información sobre los cambios en la actividad eruptiva de los volcanes. Este gas está presente en la atmósfera terrestre principalmente en la tropósfera, emitido por volcanes activos y por la actividad humana (origen antropogénico). También está presente en la estratósfera luego de vigorosas explosiones volcánicas. Durante una típica medición, estos sistemas escanean la pluma volcánica obteniendo la concentración total en la sección transversal de la misma. Cuando estos datos se combinan con mediciones de la velocidad del viento, se pueden derivar los flujos de SO2 (normalmente expresado en toneladas por día o en kilogramo por segundo).

Instrumento PANDORA

El instrumento Pandora permite realizar observaciones tanto sol directo (configuración sun-direct DOAS) como de radiación solar difusa en cualquier dirección (configuración Max-DOAS). Este tipo de mediciones permiten determinar tanto las densidades de columnas inclinadas (SCD, Slant Column Density) con las de columnas verticales (VCD, Vertical Column Density) de los gases en estudio, además del espesor óptico de aerosoles (AOT), la concentración superficial de NO2, la columna total troposférica de dióxido de nitrógeno (NO2),  el perfil de NO2, etc.

El sistema Pandora es suficientemente sensible para medir concentraciones de diferentes gases: SO2, vapor de agua, dímero de oxígeno (O2O2), NO2, ozono (O3) y formaldehido (HCHO). Cuenta con un espectrómetro comercial de la empresa AVANTES (AvaSpec, 2048x64 pixeles), el cual posee una ranura de entrada de 50 µm, un rango espectral de 290-520 nm y una resolución ~0,6 nm (apropiada para determinar las concentraciones gaseosas), además de una fibra óptica resistente a la solarización. Posee un cabezal que contiene dos ruedas de filtros controladas vía USB, donde se colocan filtros neutros de distinta densidad óptica (sumamente importantes a la hora de medir apuntando al sol) y filtros de diferente frecuencia de corte (apropiados para eliminar porciones del espectro electromagnético que no son necesarias para las mediciones, y que pueden introducir efectos de 2do y 3er orden en la red de difracción).

Para realizar mediciones multiángulo posee un trackeador que mueve el cabezal en distintas direcciones, variando tanto el ángulo acimutal como el de elevación del mismo. El sistema está montado sobre un sólido trípode mediante una pieza de aluminio especialmente diseñada. La electrónica de control se localiza en una caja estanca, y todo el sistema es aprueba de agua, lo que lo hace muy apropiado para mediciones sistemáticas a la intemperie.

El software de control y procesamiento del sistema DOAS ofrecido por SciGlob es de código abierto y puede modificarse y adaptarse a las necesidades futuras del usuario. Además, está implementado usando Python, un potente lenguaje de programación también elegido por la división LIDAR para el desarrollo de instrumentos DOAS propios.

Una red de instrumentos LIDAR y DOAS, capaces de detectar emisiones de origen volcánico, podría ser utilizada para validar los cálculos realizados por diferentes modelos de transferencia radiativa y, por lo tanto, hacer que estos (y las restricciones del tráfico aéreo determinadas a partir de ellos) sean mucho más creíbles. Midiendo la concentración de SO2 con los instrumentos DOAS, se podría mejorar la identificación de las cenizas volcánicas. Este tipo de instrumentos permite detectar plumas volcánicas incluso en días nublados cuando los sistemas LIDAR y los fotómetros solares (como el CIMEL de la red AERONET), no pueden hacerlo. La razón es que la radiación que penetra las nubes y llega finalmente al detector del sistema DOAS, todavía lleva la firma de SO2. El instrumento PANDORA posee una muy buena resolución espectral, muy bajo stray-light, excelente estabilidad térmica, entre otras características que lo hacen sumamente valioso para el monitoreo atmosférico.