Thesis:

Estimación espaciotemporal del black carbon en la cuenca nival Estero Juncalillo: análisis retrospectivo y proyecciones futuras

El Carbono Negro (BC, Black Carbon) es uno de los principales contaminantes atmosféricos proveniente de la combustión incompleta de combustibles fósiles. Sobre superficies nivales, tiene la capacidad de reducir su habilidad de reflejar la radiación solar (albedo) en el rango visible, absorbiendo más calor, acelerando su ablación y reduciendo su duración. Esta reducción es especialmente importante cuando la distancia a la fuente de emisión de contaminantes atmosférico es variable, produciendo distintas concentraciones de impurezas depositadas sobre el manto nival. Por lo tanto, resulta de alto interés estudiar los cambios espaciotemporales producidos por las emisiones de BC atmosférico para comprender los efectos que estos generan sobre la criósfera. Esta investigación busca reconstruir (respecto al período 2006-2022) y generar predicciones (hacia los años 2023-2035) el BC atmosférico de manera espaciotemporal entre los meses de junio a octubre en la cuenca Estero Juncalillo, situada en los Andes Centrales de Chile, donde se ubica la carretera CH-60, la cual presenta el mayor tráfico vehicular entre Chile y Argentina. Para lograrlo, en primer lugar, se evaluarán estimaciones espaciotemporales de las concentraciones de BC en la nieve (CBCS, Concentration of Black Carbon in Snow) mediante un modelo simplificado de transferencia radiativo asintótico (modelo ART, asymptotic radiative transfer model); empleando 17 años (2006-2022) de distintos productos de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). En segundo lugar, se desarrolló un modelo estadístico para determinar el BC atmosférico a partir de las CBCS del modelo ART obtenidas y mediante formulaciones empíricas de la velocidad de depositación seca de partículas y densidad superficial de la nieve. En último lugar, se proyectaron dos escenarios de BC atmosférico (2023-2035) mediante dos escenarios: 1) Proyecciones de cambio climático empleando Modelos Climáticos Globales (GCMs, Global Climate Models) del Coupled Model Intercomparison Project 5 (CMIP5) con métodos de downscaling estadístico (SDMs, Statistical Downscaling Methods) y 2) Incremento del tráfico vehicular de la carretera CH-60 mediante relaciones estadísticas. Los principales resultados revelaron: (1) Las CBCS promedios a nivel mensual variaron entre [160, 520] ng g⁻¹, encontrándose que en zonas cercanas a la carretera (< 1 km) fueron entre [11, 20] % mayores respecto zonas alejadas (≥ 1 km). (2) En zonas bajas de la cuenca (2200–3000 msnm), el BC atmosférico retrospectivo (2006–2022) y la distancia más cercana a la carretera varió entre [0.11, 0.24] μg m⁻³ y [0.01, 6.17] km, mientras que en las zonas altas (4000–4700 msnm) mostró una variación [0.08, 0.17] μg m⁻³ y [1.13, 11.26] km. Esto estaría indicando que el BC atmosférico aumentó a menores altitudes de la cuenca y a menor distancia con la carretera. El BC atmosférico del escenario retrospectivo, a nivel de cuenca, revela un valor promedio de 0.12 μg m⁻³ y una tendencia positiva no significativa de 2.9 ng m⁻³ año⁻¹. (3) El escenario futuro (2023–2035) del BC atmosférico asociado a las proyecciones de cambio climático es mejor representado por el GCM IPSL-CM5A-MR y el SDM asociado a Quantile Delta Mapping. A nivel de cuenca, este presentó un valor promedio de 0.10 μg m⁻³ y una tendencia negativa significativa de 1.2 ng m⁻³ año⁻¹. El escenario futuro asociado al tráfico tuvo un incremento de 0.69 a 1.41 millones de vehículos en la carretera. A nivel de cuenca, este presentó un valor promedio de 0.21 μg m⁻³ y una tendencia positiva significativa de 12.0 ng m⁻³ año⁻¹. Estos resultados respaldan la noción de que los impactos del BC atmosférico necesitan ser apropiadamente considerados para estudios regionales, sobre todo en proyecciones futuras de cambio climático y, particularmente en zonas de la criósfera cercanas a emisión de contaminantes, como lo es la cuenca Estero Juncalillo, la cual presenta un régimen nival y el paso fronterizo con un alto flujo vehicular durante todo el año.

Black Carbon (BC) is one of the main atmospheric pollutants, originating from the incomplete combustion of fossil fuels. On snow surfaces, it reduces the ability to reflect solar radiation (albedo) in the visible spectrum, increasing heat absorption, accelerating ablation, and shortening snow duration. This reduction is especially relevant when the distance to the emission source varies, causing different impurity concentrations in the snowpack. Thus, studying the spatiotemporal changes in atmospheric BC emissions is crucial to understanding their effects on the cryosphere. This study aims to reconstruct (for 2006–2022) and predict (for 2023–2035) atmospheric BC spatiotemporally from June to October in the Estero Juncalillo basin, located in the Central Andes of Chile, where highway CH-60 — the busiest road between Chile and Argentina — is located. First, spatiotemporal estimates of BC concentrations in snow (CBCS) were evaluated using an asymptotic radiative transfer (ART) model and 17 years (2006–2022) of MODIS satellite data. Second, a statistical model was developed to determine atmospheric BC from ART CBCS estimates, using empirical formulations of dry deposition velocity and snow surface density. Finally, two atmospheric BC scenarios (2023–2035) were projected: (1) Climate change projections using Global Climate Models (GCMs) from CMIP5 and Statistical Downscaling Methods (SDMs), and (2) an increase in vehicular traffic on CH-60 using statistical relations. Main findings include: (1) Monthly average CBCS values ranged from [160, 520] ng g⁻¹, with areas <1 km from the highway showing [11–20]% higher values than areas ≥1 km away. (2) In the lower basin (2200–3000 masl), retrospective BC ranged from [0.11–0.24] μg m⁻³ and distances from the highway from [0.01–6.17] km, while in upper areas (4000–4700 masl), BC ranged from [0.08–0.17] μg m⁻³ and [1.13–11.26] km. This suggests higher BC at lower altitudes and closer to the highway. The average basin-wide BC for 2006–2022 was 0.12 μg m⁻³, with a non-significant positive trend of 2.9 ng m⁻³ year⁻¹. (3) Future BC scenario from climate change projections (2023–2035) was best represented by GCM IPSL-CM5A-MR and Quantile Delta Mapping, showing an average of 0.10 μg m⁻³ and a significant negative trend of 1.2 ng m⁻³ year⁻¹. The traffic-related future scenario showed vehicle numbers rising from 0.69 to 1.41 million, with a basin average of 0.21 μg m⁻³ and a significant positive trend of 12.0 ng m⁻³ year⁻¹. These results confirm the need to consider atmospheric BC impacts in regional studies, especially for future climate change projections and in cryosphere zones near pollutant sources, such as Estero Juncalillo basin, characterized by a snow regime and year-round border traffic.