of NO2 and O3 vertical column densities over Río province ... · M. Raponi, R. Jiménez, E....

7
ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es Opt. Pura Apl. 45 (4) 397‐403 (2012) ‐ 397 ‐ © Sociedad Española de Óptica Sección Especial: VI Taller de Medidas Lidar en Latinoamérica / Special Section: VI Workshop on Lidar Measurements in Latinamerica Measurements of NO 2 and O 3 vertical column densities over Río Gallegos, Santa Cruz province, Argentina, using a portable and automatic zenithsky DOAS system Mediciones de las densidades en columna vertical de NO 2 yO 3 sobre Río Gallegos, provincia de Santa Cruz, Argentina, usando un sistema DOAS cenital portátil y automático Marcelo Raponi (1,*) , Rodrigo Jiménez (2) , Elian Wolfram (1) , Jorge O. Tocho (3) , Eduardo Quel (1) 1. División LIDAR, CEILAP (CITEDEF‐CONICET), Juan B. de La Salle 4397, B1603ALO, Villa Martelli, Argentina. 2. Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Bogotá, D.C. 111321, Colombia. 3. Centro de Investigaciones Ópticas, CIOp (CONICET‐CIC), Buenos Aires, Argentina. (*) Email: [email protected] Recibido / Received: 13/07/2012. Revisado / Revised: 22/10/2012. Aceptado / Accepted: 24/10/2012. DOI: http://dx.doi.org/10.7149/OPA.45.4.397 ABSTRACT: Stratospheric ozone (O 3 ) plays a critical role in the atmosphere due to its capacity to absorb biologically harmful solar UV radiation before it reaches the Earth’s surface. Nitrogen dioxide (NO 2 ) is a key trace gas in the ozone photochemical. The remote sensing of NO 2 and other atmospheric minority gases is essential in order to understand the stratospheric O 3 destruction and formation processes. A study carried out on the seasonal variation of the O 3 and NO 2 vertical column densities (VCDs) using a zenith‐sky DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) is presented. This system is composed of a spectral analyzer (portable mini‐spectrometer HR4000, Ocean Optics), two optical fibers (400 µm of core, 25 cm and 6 m of longitude) and an automatic mechanical shutter. NO 2 and O 3 VCDs are derived from zenithal solar spectra acquired during twilights (zenithal angles between 87° and 91°). The data retrieved by our instrument are compared with those coming from the SAOZ spectrometer (Systeme d'Analyse par Observation Zenithale, Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), France). Both systems are located in Rio Gallegos, Santa Cruz province, Argentine (51°36’S; 69°19’W, 15 m asl), in the CEILAP‐RG remote sensing station. We observed that NO 2 VCD ranging from 6×10 15 molec/cm 2 in summer to 1.6×10 15 molec/cm 2 in winter and early spring. An anticorrelation (shifting approximately 40 days) between NO 2 and O 3 VCDs was calculated. A good agreement (average relative difference about 13%) among O 3 VCD measurements of both instruments was observed. In the case of NO 2 , a better agreement among results at sunrise than at sunset between SAOZ and ERO‐DOAS data was determined. Key words: Zenith‐Sky DOAS, NO 2 ,O 3 , SAOZ. RESUMEN: El ozono estratosférico (O 3 ) juega un rol crítico en la atmósfera debido a su capacidad de absorber radiación solar UV biológicamente dañina, antes de arribar a la superficie terrestre. El dióxido de nitrógeno (NO 2 ) es un gas traza clave en la fotoquímica del ozono. El sensado remoto de NO 2 y otros gases minoritarios atmosféricos, es esencial para comprender los procesos de destrucción y formación del O 3 estratosférico. En este trabajo se presenta un análisis efectuado sobre la variabilidad estacional de la densidad en columna vertical (VCD en inglés) de O 3 y NO 2 , usando un sistema DOAS cenital (Differential Optical Absorption Spectroscopy). Este sistema está compuesto por un analizador espectral (mini‐espectrómetro portátil HR4000 de Ocean Optics), dos fibras ópticas

Transcript of of NO2 and O3 vertical column densities over Río province ... · M. Raponi, R. Jiménez, E....

ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es 

Opt. Pura Apl. 45 (4) 397‐403 (2012)  ‐ 397 ‐  © Sociedad Española de Óptica 

Sección Especial: VI Taller de Medidas Lidar en Latinoamérica / Special Section: VI Workshop on Lidar Measurements in Latinamerica 

Measurements of NO2 and O3 vertical column densities over Río Gallegos, Santa Cruz province, Argentina, using a portable and 

automatic zenith‐sky DOAS system  

Mediciones de las densidades en columna vertical de NO2 y O3 sobre Río Gallegos, provincia de Santa Cruz, Argentina, usando un sistema DOAS 

cenital portátil y automático  

Marcelo Raponi(1,*), Rodrigo Jiménez(2), Elian Wolfram(1),  

Jorge O. Tocho(3), Eduardo Quel(1) 1. División LIDAR, CEILAP (CITEDEF‐CONICET), Juan B. de La Salle 4397, B1603ALO, Villa Martelli, Argentina. 

2. Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Bogotá, D.C. 111321, Colombia. 

3. Centro de Investigaciones Ópticas, CIOp (CONICET‐CIC), Buenos Aires, Argentina. (*) Email: [email protected] 

Recibido / Received: 13/07/2012. Revisado / Revised: 22/10/2012. Aceptado / Accepted: 24/10/2012. 

DOI: http://dx.doi.org/10.7149/OPA.45.4.397  

ABSTRACT: 

Stratospheric  ozone  (O3)  plays  a  critical  role  in  the  atmosphere  due  to  its  capacity  to  absorb biologically harmful solar UV radiation before it reaches the Earth’s surface. Nitrogen dioxide (NO2) is  a  key  trace  gas  in  the  ozone  photochemical.  The  remote  sensing  of NO2  and  other  atmospheric minority  gases  is  essential  in  order  to  understand  the  stratospheric O3  destruction  and  formation processes. A study carried out on the seasonal variation of the O3 and NO2 vertical column densities (VCDs)  using  a  zenith‐sky  DOAS  (Differential  Optical  Absorption  Spectroscopy)  is  presented.  This system is composed of a spectral analyzer (portable mini‐spectrometer HR4000, Ocean Optics), two optical fibers (400 µm of core, 25 cm and 6 m of longitude) and an automatic mechanical shutter. NO2 and  O3  VCDs  are  derived  from  zenithal  solar  spectra  acquired  during  twilights  (zenithal  angles between 87° and 91°). The data retrieved by our instrument are compared with those coming from the  SAOZ  spectrometer  (Systeme  d'Analyse  par  Observation  Zenithale,  Laboratoire  Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), France). Both systems are located in Rio Gallegos, Santa Cruz province, Argentine (51°36’S; 69°19’W, 15 m asl), in the CEILAP‐RG remote sensing station. We observed that NO2 VCD ranging from 6×1015 molec/cm2 in summer to 1.6×1015 molec/cm2 in winter and early spring. An anticorrelation (shifting approximately 40 days) between NO2 and O3 VCDs was calculated. A good agreement (average relative difference about 13%) among O3 VCD measurements of both instruments was observed. In the case of NO2, a better agreement among results at sunrise than at sunset between SAOZ and ERO‐DOAS data was determined. 

Key words: Zenith‐Sky DOAS, NO2, O3, SAOZ. 

RESUMEN: 

El ozono estratosférico (O3)  juega un rol crítico en la atmósfera debido a su capacidad de absorber radiación  solar UV biológicamente  dañina,  antes  de  arribar  a  la  superficie  terrestre.  El  dióxido  de nitrógeno (NO2) es un gas traza clave en la fotoquímica del ozono. El sensado remoto de NO2 y otros gases  minoritarios  atmosféricos,  es  esencial  para  comprender  los  procesos  de  destrucción  y formación  del  O3  estratosférico.  En  este  trabajo  se  presenta  un  análisis  efectuado  sobre  la variabilidad estacional de  la densidad en columna vertical  (VCD en  inglés) de O3 y NO2, usando un sistema DOAS cenital (Differential Optical Absorption Spectroscopy). Este sistema está compuesto por un  analizador  espectral  (mini‐espectrómetro portátil HR4000 de Ocean Optics),  dos  fibras  ópticas 

ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es. 

Opt. Pura Apl. 45 (4) 397‐403 (2012)  ‐ 398 ‐  © Sociedad Española de Óptica 

(de 25 cm y 6 m de  longitud, con un núcleo de 400 µm) y un obturador mecánico automático. Las VCDs de NO2  y O3  son  derivadas  a  partir  de  espectros  solares  adquiridos durante  los  crepúsculos (ángulos  cenitales  entre  87°‐91°),  apuntando  al  cenit  del  lugar.  Los  datos  obtenidos  por  nuestro sistema  son  comparados  con  los  determinados por  el  espectrómetro  SAOZ  (Systeme d'Analyse par Observation Zenithale, Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), France). Ambos  sistemas  están  localizados  en  Río  Gallegos,  provincia  de  Santa  Cruz,  Argentina  (51°36’S; 69°19’O, 15 m snm), en la estación de sensado remoto CEILAP‐RG. Se observaron variaciones de la VCD  de  NO2  entre  6×1015  molec/cm2  (en  el  verano)  hasta  1.6×1015  molec/cm2  (en  el  invierno  y principios  de  la  primavera).  Se  calculó  una  anticorrelación  (con  defasaje  de  40  días aproximadamente) entre  las VCDs de NO2 y O3.  Se observó un buen acuerdo entre  las VCDs de O3 medidas por ambos instrumentos, con una diferencia relativa promedio del orden de 13%. En el caso del  NO2,  se  determinó  un  mejor  acuerdo  entre  los  datos  del  SAOZ  y  del  ERO‐DOAS  medidos  al amanecer que al atardecer. 

Palabras clave: DOAS cenital, NO2, O3, SAOZ. 

 

REFERENCIAS Y ENLACES / REFERENCES AND LINKS 

[1].  D.  Fish, R.  Jones,  “Rotational Raman  scattering  and  ring  effect  in  zenith  sky  spectra”, Geophys. Res. Lett. 22 (7), 811‐14 (1995). 

[2].  M.  Gil, M.  Yela,  L.  Gunn,  A.  Richter,  I.  Alonso, M.  Chipperfield,  E.  Cuevas,  J.  Iglesias, M.  Navarro,  O. Puentedura, S. Rodríguez, “NO2 climatology in the northern subtropical region: diurnal, seasonal and interannual variability”, Atmos. Chem. Phys. Discuss. 7, 15067‐15103 (2007). 

[3].  http://www.division‐lidar.com.ar  

[4].  M. Raponi, R.  Jiménez, E. Wolfram, J. Tocho, E. Quel, “Remote sensing of stratospheric NO2 over the Argentinean Antarctica using a DOAS mini‐spectrometer”, Opt. Pura Apl. 44, 77‐82 (2011). 

[5].  U.  Platt,  J.  Stutz, Differential Optical Absorption  Spectroscopy. Principles and Applications. Physics of Earth and Space Environments, Springer, Chapter 2, 16‐28 (2008). 

[6].  M. Gil, J. Cacho, “NO2 total column evolution during the 1989 spring at Antarctica peninsula”, J. Atmos. Chem. 15, 187‐200 (1992). 

 

1. Introduction 

Stratospheric  ozone  (O3)  is  one  of  the  most 

important  gases  in  our  atmosphere  due  to  its 

capacity  to  absorb  biologically  harmful  solar 

radiation (completely the UV‐C and partially the 

UV‐B  radiation)  that would  otherwise  arrive  to 

the  terrestrial  surface  producing  dangerous 

effects  on  different  organisms.  One  of  the most 

important  nitrogen  species  emitted  to  the 

atmosphere is the nitrous oxide (N2O), which is a 

greenhouse  gas  naturally  emitted  by  earth  and 

sea  bacteria,  and  also  produced  by  human 

activities, mainly  agriculture.  It  is  a  very  stable 

molecule  which  is  transported  to  the 

stratosphere.  In  the  middle  and  upper 

stratosphere it  is converted to nitric oxide (NO) 

by  reaction  with  excited  oxygen  atoms  O  (1D) 

produced mainly by UV photolysis of O3 [1]. 

During  daylight  a  balance  between  the  NO 

and  nitrogen  dioxide  (NO2)  concentrations  is 

established  through  the  reaction  of  the  former 

with  O3  and  the  rapid  photolysis  and  reaction 

with atomic oxygen of the latter. At night, NO2 is 

converted first to nitrate radical (NO3) and via a 

three‐body  reaction  to  dinitrogen  pentoxide 

(N2O5). This causes a build‐up of N2O5 during the 

night  followed  by  a  slow  release  during  the 

following  day  through  photolysis.  The  NO2 

diurnal  variation  therefore  comprises  a 

maximum immediately after sunset, followed by 

a  slow  decrease  throughout  the  night  and  a 

sharp drop to minimum at sunrise. As well as the 

diurnal variation there is a seasonal variation in 

stratospheric  NO2  at  mid‐latitudes  due  to  the 

combined  effects  of  photochemistry  and 

atmospheric  transport  [2].  The  development  of 

remote  sensing  systems  for  trace  gases 

monitoring  is  fundamental  to  understand  the 

dynamic  processes  that  occur  in  the 

stratosphere.  The  LIDAR  Division  (CEILAP‐

CITEDEF)  has  in  Río  Gallegos,  Santa  Cruz 

province (51º36’S; 69º19’W; 15 m asl) a remote sensing  station  (CEILAP‐RG)  where 

ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es. 

Opt. Pura Apl. 45 (4) 397‐403 (2012)  ‐ 399 ‐  © Sociedad Española de Óptica 

systematically  are  carry  out  measurements  of 

several  atmospheric parameter,  e.g. O3  and NO2 

vertical  column,  O3  profile  (LIDAR  system), 

aerosol optical thickness, solar irradiance (UV‐A, 

UV‐B,  NIR),  etc.  [3]  It  is  necessary  to  highlight 

that Río Gallegos city is affected every spring by 

a significant decrease of the stratospheric O3 that 

produces an increment of the UV solar radiations 

that arrive to the surface. 

 

2. Materials and method 

The  development  of  a  compact  atmospheric 

remote  sensing  system  able  to  determine  the 

VCD  (Vertical Column Density)  of multiple  trace 

gases,  is  presented.  A  low‐cost  and  portable 

zenith‐sky  DOAS  system  (Fig.  1)  ‐hereafter 

referred  to  as  ERO‐DOAS‐  composed  of  a mini‐

spectrometer  (HR4000,  Ocean  Optics),  two 

optical fibers (400 µm of core, 6 m and 25 cm of 

longitude)  and  a  home‐made  external  shutter, 

has  been  developed  [4].  HR4000  allow  us  to 

measure  solar  spectral  irradiance  in  the  UV‐

visible  range  (290‐650  nm).  It  is  a  simple 

spectrograph  equipped  with  a  fixed  diffraction 

grating (600 grooves/mm blazed at 400 nm) and 

a  3648‐pixel  lineal  array  CCD.  An  automatic 

shutter  to  determine  the  dark  current  of  each 

measurement  and  to  remove  the  noise  of  the 

twilight  spectra,  was  developed.  A  software 

development using Labview® controls  the start 

and  the  end  of  spectral  measurements,  the 

retrieval of acquired spectra and the shutter. The 

computer’s  internal  clock  is  daily  updated  to 

avoid  possible  time  shifts  and  to  maintain 

accuracy  on  zenithal  and  azimuth  angles 

calculations. 

The software sets the CCD integration time to 

maximize signal/noise ratio. The dark current is 

obtained with the same integration time than the 

twilight  spectra  measured  immediately  before. 

The  instrumental  function  and  the  system 

resolution were determined using  low pressure 

lamps  spectra  provided  by  the  Physics 

Laboratory  of  Instituto  Tecnológico  de  Buenos 

Aires (ITBA).  

The  analysis  of  visible  spectra  based  on  the 

DOAS  concept  presents  the  advantage  of 

allowing  for  simultaneous  retrieval  of  VCDs  of 

different  species,  over  a  wide  range  of 

meteorological conditions. NO2 and O3 VCDs are 

retrieved  from  zenithal  solar  spectra  acquired 

on “twilight” conditions (zenithal angle between 

87°  and  91°)  applying  the  DOAS  (Differential 

Optical Absorption Spectroscopy)  technique. The 

analysis  is  carried  out  by  solving  the  Beer‐

Lambert (BL)  law over an adequate wavelength 

range  (410‐590  nm).  The  twilight  spectra  are 

compared with the one taken with the sun near 

the  zenith  (reference)  to  eliminate  the 

Fraunhofer’s structure  (one order of magnitude 

bigger  than  the  absorptions  that  we wanted  to 

measure).  The  slant  columns  (according  to  the 

trajectory  of  the  twilight  rays)  are  obtained 

applying a  least squares  fitting  to  the  logarithm 

of the ratio between the twilight spectra and the 

reference  spectra  [5].  To  obtain  the  VCDs,  the 

slant column densities (SCDs) are divided by the 

Air Mass Factor (AMF). The AMF depends on the 

SZA  and  other  parameters  like  the  altitude  and 

the density profile of the gas in the atmosphere, 

etc.  [6].  The  effects  of  Rayleigh  and  Mie 

scattering  are  subtracted  out  using  a  high‐pass 

polynomial filter (n=4). 

 

 

 

Fig.  1.  Zenith‐sky  DOAS  system’s  components:  a  notebook, the  software  designed  using  Labview®,  the  spectrometer (HR4000), an automatic shutter and the optical fibers. 

 

 

ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es. 

Opt. Pura Apl. 45 (4) 397‐403 (2012)  ‐ 400 ‐  © Sociedad Española de Óptica 

3. Results 

A  study  on  the  O3  and  NO2  VCDs  seasonal 

variation  at Río Gallegos,  is  presented.  In  Fig.  2 

we can observe  the NO2 VCD seasonal variation 

at  Río  Gallegos  during  2004‐2011  retrieved  by 

OMI/AURA  (Ozone  Monitoring  Instrument/ 

AURA  satellite).  The NO2  concentration  ranging 

from  6×1015 molec/cm2  in  summer  to  1.6×1015 

molec/cm2 in winter and early spring. 

In  Fig.  3,  the  O3  and  NO2  VCD  retrieved  by 

SAOZ  (Système  d'Analyse  par  Observation 

Zenithale)  at  Río  Gallegos  during  2008‐2009,  is 

showed.  A  difference  between  NO2  VCD  at 

sunrise and at sunset was observed.  In the case 

of the O3 VCD, significant differences among the 

concentrations  at  sunrise  and  at  sunset  are  not 

observed, as us we waited. In the case of NO2, to 

be  a  gas  with  a  comparatively  short 

photochemical  time  of  life,  it  presents  a 

significant  variability  during  the  day.  For  this 

reason exist an  important difference among  the 

concentrations measured during the twilights.  

In Fig. 4 the correlation between NO2 and O3 

VCD, obtained by the SAOZ spectrometer during 

2008‐2009,  is  presented.  An  anticorrelation 

(shifting  approximately  40  days)  between  NO2 

and  O3  VCDs  and  some  days with  “ozone  hole” 

condition (O3 VCD < 220 DU) were observed. 

In  Fig.  5  the  O3  and  NO2  VCDs  retrieved  by 

ERO‐DOAS  and  SAOZ  spectrometer  (both  of 

them  located  in  CEILAP‐RG  station),  during 

September/December 2009, are presented. 

For  the ozone,  a  good agreement among  the 

instruments with  an  average  relative difference 

about 13%, was observed.  In  the  case of NO2,  a 

better agreement among results at  sunrise  than 

at  sunset  between  SAOZ  and  ERO‐DOAS  data 

was determined. 

 

 

 

 

 

Fig. 2. NO2 VCD variability at Río Gallegos, Santa Cruz province, Argentina, retrieved by OMI‐AURA, from 2004 to 2011. 

ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es. 

Opt. Pura Apl. 45 (4) 397‐403 (2012)  ‐ 401 ‐  © Sociedad Española de Óptica 

 

Fig. 3. Seasonal variation of O3 and NO2 VCDs ‐ at sunset and at sunrise ‐ during 2008‐2009 retrieved by SAOZ spectrometer at Río Gallegos. 

 

 

 

Fig. 4. Correlation between NO2 and O3 VCD seasonal variation during 2008‐2009. 

 

 

 

ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es. 

Opt. Pura Apl. 45 (4) 397‐403 (2012)  ‐ 402 ‐  © Sociedad Española de Óptica 

  

   

 

Fig. 5. O3 and NO2 VCDs retrieved by ERO‐DOAS and SAOZ instruments at Río Gallegos, during September/December 2009. 

 

 

 

 

ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es 

Opt. Pura Apl. 45 (4) 397‐403 (2012)  ‐ 403 ‐  © Sociedad Española de Óptica 

4. Conclusions 

Our  zenith‐sky  DOAS  system  has  the  capability 

of  sensing  automatically  several  chemical 

species  and  the  advantage  of  being  portable 

(which  offers  the  possibility  to  move  the 

instrument  to  carry  out  measurements 

campaigns).  We  observe  in  both  ground‐based 

instruments a strong daily variability of the NO2 

VCDs  (sunrise  vs.  sunset).  NO2  is  a  gas  with  a 

comparatively  short  photochemical  time  of  life 

and  it  presents  a  significant  variability  during 

the  day.  This  variability  is  probably  associated 

with  the  NOx  vertical  distribution,  the 

temperature  in  the  high  layers  of  the 

atmosphere  and  the  variability  of  other  active 

species like the tropospheric NO, for example. In 

the case of the O3 the daily variability of the gas 

is  low, reason why the comparison between the 

sunrise and sunset data is very good. 

 

Acknowledgements 

The  authors  acknowledge  to  the  Japanese 

International  Collaboration  Agency  (JICA)  for 

funding  the  acquisition  of  the  HR4000 

spectrometer  and  to  SAOZ  network  and 

OMI/AURA for the Río Gallegos data.