Evaluación del uso de imágenes satelitales para la cuantificación de flujos de CO2 en ecosistemas acuáticos continentales

Abstract

El equipo de investigación en Ecología y Contaminación Acuática de la Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira desarrolló entre el año 2012 y el 2014 el Proyecto GEITRO, cuyo objetivo principal fue cuantificar las emisiones de GEI generados en el embalse de Riogrande II localizado en el norte del departamento de Antioquia. Para tal fin, dicho equipo de investigación fundamentó sus métodos en una evaluación rigurosa y detallada de la fuente de emisión basada en mediciones in situ. Estos resultados abren la posibilidad de explorar métodos alternativos que permitan la cuantificación de emisiones generadas en el embalse a partir de la aplicación o desarrollo de modelos fundamentados en el uso de variables medibles a partir de sistemas remotos tales como la teledetección, en este caso particular, los productos MODIS-Terra. En este sentido surgió la propuesta de investigación que fue desarrollada en el marco de esta tesis de maestría y cuyo objetivo principal fue responder a la pregunta: ¿bajo qué condiciones y hasta qué punto es posible la aplicación de la teledetección para la modelación de las emisiones de flujos difusivos de CO2 en un ecosistema acuático de tropical de alta montaña como lo es el embalse de RGII? La propuesta metodológica se fundamentó en tres aspectos básicos: La organización y selección de la información disponible, tanto del proyecto GEITRO entre 2012 y 2014 así como de las imágenes satelitales MODIS-Terra que proveen la información relacionada con las temperaturas superficiales del cuerpo de agua. El análisis, la aplicación y validación de los modelos actualmente disponibles que permiten la cuantificación de emisiones a partir de los datos de temperatura superficial del agua. Y la estimación final de emisiones a partir de imágenes satelitales. El análisis, aplicación y validación de los modelos disponibles, condujo a la necesidad de explorar nuevas aproximaciones para una estimación de flujos más acertada. En efecto, la ejecución de esta investigación condujo al desarrollo de dos modelos: uno para la estimación de concentraciones superficiales de CO2 aprovechando la relación que existe entre este parámetro y la variación de las temperaturas superficiales del agua y otro para la estimación del coeficiente de velocidad de transferencia normalizado sobre número de Schmidt de 600 (K600) que conlleva a la estimación consecuente de los coeficientes de velocidad de transferencia (kg,T) para el CO2 en el embalse de RGII. El resultado de la aplicación de estos dos modelos, tal y como es presentado en este documento, conllevan a la estimación de flujos difusivos de CO2 del embalse. Los procesos de validación de los modelos permitieron concluir que estos logran reproducir de manera más que aceptable (R2 =0,78, con un error relativo sobre el conjunto de datos de 15 ± 0,07% en promedio), los flujos difusivos de CO2 medidos en el embalse de RGII entre los años 2012 y 2014. Finalmente, a partir de estos resultados, empleamos las temperaturas superficiales medidas por MODIS-Terra para la estimación de los flujos difusivos de CO2 sobre el embalse. Los resultados fueron satisfactorios en la medida en que la correlación obtenida después este proceso entre los flujos estimados a partir de los modelos propuestos, los cuales hacen uso de las temperaturas superficiales obtenidas a partir de satélite MODIS-Terra fue de R2=0,71. De manera global se encontró que el uso de las temperaturas superficiales observadas por MODIS-Terra, mediante la aplicación los modelos desarrollados en el marco de esta investigación, puede ser aceptado para la estimación de flujos difusivos de este biogás (F(CO2)) en el embalse de RGII.

The team of research in Ecology and Aquatic Pollution of the National University of Colombia Palmira Headquarters developed between 2012 and 2014 the GEITRO Project, whose main objective was to quantify the GHG emissions generated in the Riogrande II dam located in the north of the department of Antioquia in Colombia. For this reason, the research team based their methods on accurate and detailed evaluation of flux source through in situ measure. These results create possibility to explore alternative methods to allow of quantify emissions generated in dam by means of application or development of models based on the use of measured issues from remote sensors like tele-detection, particularly MODIS-Terra products. In this sense, the research proposal was developed within the framework of this master's thesis and whose main objective was to answer the question: ¿under what conditions and to what extent is it possible to apply remote sensing for the modeling of emissions of CO2 diffusive flows in a high mountain tropical aquatic ecosystem such as the RGII dam? The proposed methodology is based on three basic aspects: the organization and selection of the available information, both GEITRO project between 2012 and 2014 and MODIS-Terra satellite images providing information related to surface temperatures of the water body. The analysis, application and validation of the currently available models that allow the quantification of emissions from the surface water temperature data. And the final quantification of the emissions using satellite images. The analysis, application and validation of the available models, led to the need to explore new approaches for a more accurate flow estimation. Indeed, the execution of this research led to the development of two models: one for the estimation of surface CO2 concentrations taking advantage of the relationship between this parameter and the variation of water surface temperatures and another for the estimation of the normalized transfer speed coefficient on Schmidt's number of 600 (K600) that leads to the consequent estimation of the transfer speed coefficients (kg, T) for CO2 in the RGII dam. The result of the application of these two models, as it is presented in this document, they lead to the estimation of CO2 diffusive flux from the dam. The validation processes of the models allowed us to conclude that they manage to reproduce more than acceptable (R2 = 0.78, with a relative error on the data set of 15 ± 0.07% on average), the diffusive CO2 fluxes measured in the RGII reservoir between 2012 and 2014. Taking into account these results, we use Water Surface Temperature (WST) measured by MODIS-Terra for the estimation of the diffusive flux of CO2 on the dam. The results were satisfactory insofar as the correlation obtained after this process between the flows estimated from the proposed models, which make use of the surface temperatures obtained from the MODIS-Terra satellite was R2 = 0.71 In a global way, it was found that the use of the WST observed by MODIS-Terra, through the application of the models developed in the framework of this research, can be accepted for the estimation of diffusive flows of this biogas (F (CO2)) in the RGII dam.