Dinámica del metano y del monóxido de carbono atmosféricos en la región costera del golfo de Cádiz

Abstract

Según el último informe del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático, existe una necesidad urgente de realizar estudios regionales que profundicen en elconocimiento de gases traza reactivos, como el monóxido de carbono (CO), y gases deefecto invernadero, como el metano (CH4); dos especies químicas con implicaciones enla calidad del aire y el cambio climático.La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo mejorar el conocimiento del CO y el CH4,analizando sus concentraciones, variaciones temporales, tendencias y patrones de comportamiento, en la región del golfo de Cádiz, sudoeste de la península Ibérica. Las medidas de CO y el CH4 se realizaron desde 2019, en el observatorio atmosférico de El Arenosillo (37.1° N, 6.7° O, 42 m sobre el nivel del mar). Analizándose el CO en superficie desde 2019 a 2022, su evolución temporal presentó máximos en invierno y mínimos en verano. Para conocer las tendencias de sus concentraciones y emisiones, se utilizaron las observaciones del instrumento AIRS (Atmospheric Infrared Sounder), embarcado en el satélite AQUA; y el inventario de emisiones del CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Services). Se obtuvo una tendencia para los niveles de CO de -9.8 % década-1 (2002 – 2022) y del -31 % década-1 para sus emisiones (2002 – 2020). A partir de estos resultados, se identificó que algún proceso podría estar contrarrestando la reducción de las emisiones. Se investigó el comportamiento del CO bajo escenarios meteorológicos típicos de la región de estudio. Bajo la influencia de flujos de aire atlántico, se registraron niveles de línea base regional (∽90 nmol mol-1). Sin embargo,con la llegada de flujos de aire desde el interior, estos valores se incrementaron un ∽40 %. Durante la mesoescala, los niveles de CO variaron entre los 90 y los 120 nmol mol-1,dependiendo de la tipología de la brisa. Los mayores niveles se midieron, con el impacto de la pluma de un incendio forestal, en este caso se registraron máximos de 458 nmol mol-1. Se podría plantear la hipótesis de que los esfuerzos por reducir las emisiones están siendo contrarrestados por cambios en los patrones meteorológicos, así como, por la mayor frecuencia e intensidad de los incendios forestales. En cuanto al CH4, para el periodo de 2019 a 2023, los máximos se registraron durante los meses fríos y los mínimos durante el verano; obteniéndose en este periodo una tendencia de 0.61 % año-1. A fin de conocer los patrones regionales de CH4, se analizó su comportamiento bajo escenarios gobernados por la escala sinóptica y la mesoescala. Bajo la influencia atlántica se registraron niveles de línea base (∽1960 nmol mol-1), e incrementos del 1 – 4 % con la llegada de flujos continentales. Con el desarrollo de las brisas costeras no se observaron cambios significativos en su evolución. Dado los resultados obtenidos con las observaciones de CH4 de El Arenosillo, se planteó profundizar en su conocimiento. Para ello, y utilizando las observaciones de columna total (XCH4) del instrumento TROPOMI (embarcado en el Sentinel 5P) en el periodo 2018 a 2023, se analizó su tendencia y su distribución en el sudoeste de la península Ibérica. Los niveles más bajos de XCH4 se registraron en un entorno semi-natural de sierra, mientras que, su tendencia fue la más pronunciada para el periodo de estudio, de 0.57 % año-1. Sin embargo, la tendencia más baja fue de 0.34 % año-1 en una zona interior con un humedal y con los niveles más altos de XCH4. A fin de determinar, los potenciales cambios en el comportamiento del CH4 de las últimas décadas, se calculó su tendencia de largo plazo, utilizándose las observaciones del instrumento GOSAT (2009 – 2023),obteniéndose 0.46 % año-1. Un análisis más detallado en periodos concretos reveló que la tendencia se ha acelerado en los últimos 5 años (2019 – 2023), con un valor de 0.78 % año-1. Los resultados obtenidos reflejan la compleja dinámica del CH4, con variaciones regionales de sus niveles, distribución y tendencias. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

According to the latest report from the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), there is an urgent need for regional studies that advance our understanding of reactive trace gases, such as carbon monoxide (CO), and greenhouse gases (GHG), such as methane (CH₄); two chemical species with implications for both air quality and climate change. This Doctoral Thesis aims to improve our knowledge of CO and CH₄ by analysing their concentrations, temporal variability, trends, and behavioural patterns in the Gulf of Cádiz region, located in the southwestern Iberian Peninsula. Measurements of CO and CH₄ were conducted since 2019 at the atmospheric observatory of El Arenosillo (37.1° N, 6.7° W,42 m a.s.l.). For surface CO, data covering from 2019 to 2022 revealed a seasonal evolution, with winter maxima and summer minima. In order to assess concentration and emission trends, data from the AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) instrument aboard NASA's AQUA satellite and emission inventories from CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Services) were used. A CO level trend of -9.8 % decade-1 (2002–2022) and an emission trend of -31 % decade-1 (2002–2020) were obtained. These results suggest that some process may be offsetting the reduction in emissions. The behaviour of CO was further investigated under typical meteorological scenarios for the study region. Under the influence atlantic air masses, baseline levels (∽90 nmol mol⁻¹) were recorded. However, with the arrival of continental air masses, these values increased by ∽40 %. During the mesoscale, CO levels varied between 90 nmol mol⁻¹ and 120 nmol mol⁻¹ depending on the type of breeze. The highest levels were measured under the impact of a forest fire plume, where values reached up to 458 nmol mol⁻¹. A hypothesis may be proposed that efforts to reduce emissions are being counteracted by changes in meteorological patterns and the increasing frequency and intensity of wildfires. As for CH₄ for the period from 2019 to 2023, maximum levels were observed during the colder months and minima during summer, with an overall trend of 0.61 % year-1 for this period. To understand regional CH₄ patterns, its behaviour was analysed under scenarios governed by both synoptic and mesoscale meteorological dynamics. Under atlantic influence, CH₄baseline levels (∽1960 nmol mol⁻¹) were observed, with increases of 1 – 4 % during the arrival of continental flows. During the development of sea breezes, no significant changes on its evolution were observed. Based on the results obtained from El Arenosillo, a deeper investigation into CH₄ dynamics was carried out. Using the total column (XCH4) observations form the TROPOMI instrument (on board of the Sentinel 5P) for the period from 2018 to 2023, trends and spatial distribution in the southwestern Iberian Peninsula were analysed. The lowest XCH₄ levels were recorded in a semi-natural mountainous area, which also showed the highest trend in the study period (0.57 % year-1). In contrast, the lowest trend (0.34 % year-1) was found in an inland area containing a wetland, which exhibited the highest XCH₄ concentrations. To assess potential changes in CH₄ behaviour over recent decades, long-term trends were calculated using GOSAT observations from 2009 to 2023. A trend of 0.46 % year-1 was obtained. A more detailed analysis of specific periods revealed that the trend has accelerated in the last five years (2019–2023), reaching 0.78 % year-1. The presented results reflect the complex dynamics of CH₄, with regional variations in its concentrations, spatial distribution, and trends.