Changes in surface solar ultraviolet (UV) radiation related to changes in atmospheric conditions over South Africa - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Changes in surface solar ultraviolet (UV) radiation related to changes in atmospheric conditions over South Africa

Changements du rayonnement solaire ultraviolet (UV) de surface liés aux changements des conditions atmosphériques au-dessus de l'Afrique du Sud

Résumé

Solar ultraviolet radiation (UVR) that reaches the surface of the Earth varies due to changes in atmospheric parameters such as cloud cover, ozone and aerosol concentrations. Personal exposure to excessive solar UVR has significant health implications for the human population including the development of skin cancers and certain cataracts. The research presented in this thesis aimed to quantify the effects of aerosols and ozone on surface UVR as well as to estimate the keratinocyte cancer risk posed to the public due to the exposure to solar UVR. Stratospheric ozone is the most important atmospheric constituent for the absorption of incoming solar UVR. The annual formation of the Antarctic ozone hole has beenfound to affect stratospheric ozone levels around the Southern Hemisphere and result in increased UVR at the surface due to the passage of the polar vortex in the austral spring and summer. The radiative effect of aerosols from volcanic eruptionsand biomass burning can significantly affect surface solar UVR levels. The effects of volcanic eruptions and biomass burning may not be limited to the source region but can be observed thousands of kilometres away. Examining low-ozone events that occurred during the spring and summer months at Cape Point in South Africa, the origins of ozone poor-air masses were determined using a dynamical transport model. The origins of ozone-poor air masses at Cape Point were found to be mainly from sub-tropical regions in the lower stratosphere (435 K – 485 K) and rarely from the polar vortex in the high stratosphere (600 K). Furthermore, these low-ozone events contributed to increased surface UVR on clear-sky days. Investigating the effect of aerosols from a volcanic eruption and biomass burning, indicated that volcanic eruptions could affect the aerosol loading at a distant secondary location. Increases in the aerosol loading could be attributed to the dispersion on the plume which was modelled with a dispersion model and observations from satellites. Using a radiative transfer model, the radiative effect of aerosols and tropospheric ozone during the biomass burning season was determined. Aerosols during the biomass burning season have a larger radiative effect compared to tropospheric ozone. When compared to background conditions,tropospheric ozone accounted for changes in surface UVR of less than 1% where aerosols accounted for changes in surface UVR of up to 14%. Using a novel method to develop a “weighting factor” a risk assessment of basal cell carcinoma (BCC) and squamous cell carcinoma (SCC) was conducted for individuals of different skin phototypes. The risk assessment used hypothetical scenarios of an indoor and outdoor worker in Cape Town. The assessment found that an outdoor worker was more at risk of BCC and SCC, especially those with fairer skin types. Having demonstrated how changes in atmospheric parameters can affect surface UVR and the keratinocyte cancer risk posed to individuals, it is important to monitoratmospheric parameters to develop appropriate sun protection information and to target at-risk population groups for skin cancer prevention campaigns.
Le rayonnement solaire ultraviolet (UVR) qui atteint la surface de la Terre varie en raison des changements des paramètres atmosphériques tels que la couverture nuageuse, l'ozone ou les concentrations d'aérosols. L'exposition personnelle excessive à des rayons ultraviolets solaires a des incidences importantes sur la santé de la population humaine, notamment le développement de cancers de la peau et de certaines cataractes. Les recherches présentées dans cette thèse visaient à quantifier les effets des aérosols et de l'ozone sur les UV de surface, ainsi qu'à estimer le risque de cancer des kératinocytes posé au public en raison de l'exposition aux UV solaires. L'ozone stratosphérique est le constituant atmosphérique le plus important pour l'absorption des rayons ultraviolets solaires entrants. Il a été démontré que la formation annuelle du trou d'ozone antarctique affecte les niveaux d'ozone stratosphérique dans l'hémisphère sud et entraîne une augmentation des rayons UV à la surface en raison du passage du vortex polaire au printemps et en été austral.L'effet radiatif des aérosols des éruptions volcaniques et de brulage de la biomasse peut affecter de manière significative les niveaux du rayonnement solaire UV de surface. Les effets des éruptions volcaniques et du brulage de la biomasse ne se limitent pas aux régions sources, mais peuvent être observés à des milliers de kilomètres.En examinant les événements de faible niveau d’ozone survenus au printemps et en été à Cape Point en Afrique du Sud, les origines des masses d’air pauvre en ozone ont été déterminées à l’aide d’un modèle de transport dynamique. Les origines des masses d'air pauvres en ozone à Cape Point provenaient principalement des régions subtropicales de la basse stratosphère (435 K - 485 K) et rarement du vortex polaire dans la haute stratosphère (600 K). De plus, ces événements à faible abondance en ozone ont contribué à une augmentation des rayons UV de surface par ciel clair.L'étude de l'effet des aérosols provenant d'une éruption volcanique et de brulage de la biomasse a indiqué que les éruptions volcaniques peuvent augmenter la charge en aérosols aussi bien à la source qu’au-dessus de sites secondaire éloignés. La combinaison des observations et d’un modèle de transport ont montré que l'augmentation de la charge en aérosol résulte de dispersion et transport large échelle des panaches. À l'aide d'un modèle de transfert radiatif, l'effet radiatif des aérosols et de l'ozone troposphérique durant la saison des feux en Afrique australe a été analysé et quantifié. Les aérosols pendant la saison des feux ont un effet radiatif plus important que celui de l'ozone troposphérique. Comparé aux conditions de fond,l'ozone troposphérique représentait des changements inférieurs à 1% de l’UV de surface, alors que les aérosols représentaient des changements allant jusqu'à 14%. À l'aide d'une nouvelle méthode d'évaluation des risques, le risque de cancer des kératinocytes de scénarios hypothétiques de travailleurs en intérieur et en plein air du Cap a été évalué pour des individus de différents phototypes. L'évaluation a révélé que les travailleurs en extérieur sont les plus exposés, en particulier ceux qui avaient des types de peau plus clairs.En utilisant une nouvelle méthode pour développer un « facteur de pondération »,une évaluation des risques de carcinome basocellulaire (BCC) et de carcinome épidermoïde (SCC) a été réalisée pour des individus de différents phototypes de peau. L'évaluation des risques a utilisé des scénarios hypothétiques d'un travailleur à l'intérieur et à l'extérieur, dans la région du Cap. L'évaluation a révélé qu'un travailleur en plein air était plus à risque de BCC et de SCC, en particulier ceux qui avaient la peau plus claire. Après avoir démontré comment les modifications des paramètres peuvent affecter les rayons UV de surface et le risque de cancer des kératinocytes pour les deux groupes d’individus, il est important de surveiller les ...
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03662624 , version 1 (09-05-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03662624 , version 1

Citer

David Jean Du Preez. Changes in surface solar ultraviolet (UV) radiation related to changes in atmospheric conditions over South Africa. Atmospheric and Oceanic Physics [physics.ao-ph]. Université de la Réunion; University of Pretoria, 2021. English. ⟨NNT : 2021LARE0020⟩. ⟨tel-03662624⟩
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