PROIPRO N.º 02-2618: Ingreso desde atmósfera de aerosoles: sus variaciones estacionales y aplicaciones

Comprender y evaluar la dinámica de ingreso y depósito de aerosoles atmosféricos en suelo, su variación estacional y su aplicación como indicadores de fenómenos de superficie terrestre y/o calidad de aire

Los aerosoles atmosféricos son partículas sólidas y líquidas suspendidas en el aire con tamaños que oscilan entre los 0.001 y los 100 μm. Son producidos por diferentes procesos que ocurren tanto en las superficies del suelo y de los cuerpos de agua, como también en la propia atmósfera. Los aerosoles son un factor importante en la determinación del clima global, actúan en diferentes procesos que ocurren en los  ecosistemas y pueden tener incidencia en la salud humana. El análisis de los procesos que determinan la acumulación y dinámica de los aerosoles de  ofrece una inmensa oportunidad para caracterizar, a distintas escalas espaciales y temporales, procesos ambientales críticos que ocurren en los ecosistemas. A través del conocimiento del ingreso, circulación y acumulación en un ecosistema o en un organismo biológico de ciertos aerosoles se han comprendido y cuantificado procesos que ocurren en  sistemas terrestres, así como también se ha realizado el seguimiento del estado de contaminación del aire atmosférico y los cambios producidos por la actividad del hombre, la ocurrencia de accidentes ambientales, o  de catástrofes naturales.

Debido a su diverso origen y diferentes características, los aerosoles presentan una alta variabilidad espacial y temporal en la atmósfera, constituyendo una de las mayores fuentes de incertidumbre en diferentes procesos que ocurren en la misma y que afectan tanto al clima (IPCC, 2007) como a la visibilidad, a la calidad del aire o a la salud humana (Ruzer and Harley, 2013). Para caracterizar los aerosoles y evaluar sus efectos es necesario conocer tanto sus propiedades y su concentración en la atmósfera, como su distribución espacial y temporal.

El listado de elementos o sustancias, tanto orgánicas como inorgánicas, que pueden ser aerosoles atmosféricos o constituirse como parte de los mismos es sumamente extenso. Dentro de los elementos inorgánicos algunos pueden ser estables o radiactivos, tanto de origen natural como artificial.  Los elementos radiactivos han cobrado cierta relevancia debido a la facilidad de su detección aún en muy bajas concentraciones. Dentro de los estables se destacan metales pesados como el Pb y Cd y elementos derivados de fuentes marinas, minerales y volcánicas, como el Cl, Na, Si. K, Ca, S, N. Dentro de los radiactivos naturales se destacan los cosmogénicos: Be-7, Be-10, P-32, P-33, S-35, Na-22, H-3, Cl-36 y el terrestre Pb-210. Dentro de los radiactivos artificiales se destacan los productos de fisión como el Cs-137, I-131 y Sr-90.

Específicamente, para la estimación y cálculo de tasas de redistribución de suelo (erosión/sedimentación) se han utilizado el Cs-137, el Pb-210 y más recientemente el Be-7. El Cs-137 (E = 0.662 MeV, T1/2 = 30,1 años) es un radionucleido de origen antropogénico, producto de la fisión nuclear; su presencia en suelo es atribuible a las explosiones nucleares realizados en atmósfera y a accidentes en centrales nucleares. Por otra parte, el Pb-210 (E = 46.5 keV, T1/2 = 22.3 años) y el Be-7 (E = 0.478 MeV, T1/2 = 53.3 días) son radionucleidos de origen natural. El Pb-210 proviene de la desintegración del gas noble Rn-222  (cadena de desintegración del U-238); siendo el U-238 ubicuo en la corteza terrestre, el Rn-222, es producido dentro de la misma, luego difundiendo a la atmósfera y decayendo a Pb-210 que luego se deposita en suelo. El gas Radón es responsable de gran parte de la radiación natural a la que está expuesto el hombre (UNSCEAR, 2006). Su concentración en atmósfera está principalmente determinada por la constitución del material rocoso de la región. El Be-7 se origina en la estratosfera y alta troposfera por interacciones de fragmentación (espalación) producida por la radiación cósmica con núcleos de nitrógeno y oxígeno (Kaste et al., 2002).  Debido a la vida media relativamente corta del Be-7, es ampliamente utilizado para estimar tasas de erosión de suelo en escala de tiempo de meses o la erosión provocada por un simple evento de lluvia (Walling & He, 1998, Schuller et al, 2006).

El depósito desde atmósfera se produce por dos mecanismos: deposición húmeda y deposición seca. El primero es provocado por el arrastre de aerosoles por eventos de precipitación (lluvia, nieve). El segundo mecanismo, de menor relevancia, es producto del depósito por acción de la gravedad. Diversos autores coincide para Be-7 que el deposito seco contribuye en menor medida (≈10%) al depósito total (Salisbury and Cartwright, 2005; Ioannidou et al., 2005 y Wallbrink and Murray, 1994). Una vez depositados en el suelo desde la atmósfera estos radionucleidos  se fijan rápida e irreversiblemente al particulado fino del suelo (Kaste et al., 2002). Siendo esta propiedad lo que los ha posicionado como herramientas sumamente útiles a la hora de determinar movimiento de suelo (Walling & He, 1998, Wallbrink et al., 2002, Zapata, 2002, Schuller et al., 2006).

La concentración de estos radionucleidos en suelo varía en general con la profundidad. Se denomina perfil de concentración a la relación concentración vs. profundidad.  Los principales factores que afectan el perfil de concentración de un radionucleido en suelo incluyen la concentración del radionucleido progenitor, las condiciones meteorológicas, la humedad del suelo, las características fisicoquímicas del suelo, las características del espacio poroso (tamaño de poros y conectividad) y las propiedades de adsorción del radionucleido o de la partícula que lo transporta.  Para caracterizar el proceso de transporte y fijación de un  radionucleido particular en suelo, la práctica común es ajustar medidas del perfil de concentración con un modelo que posee parámetros que cuantifican la fijación y la movilidad del radionucleido. El proceso de ajuste permite evaluar la pertinencia del modelo y el valor de los parámetros. Para realizar la evaluación de tasas de erosión o deposición hídrica mediante radionucleidos  se comparan los inventarios en suelo y la particular forma del perfil de concentración del radionucleido de un sitio considerado como de referencia (no sometido a perturbación en la escala temporal de interés) y un sitio considerado erosionado o sedimentado.

En San Luis, se han realizado estudios del ingreso por lluvias de Be-7 desde atmósfera. En un período de casi 2 años, el contenido de Be-7 en lluvias fue cuantificado y se intentó establecer la correlación con diferentes características de esos eventos de precipitación (Juri Ayub et al. 2009 y 2012). Los resultados obtenidos indican que la región presenta ciertas particularidades, no mostrando los patrones típicos de algunas regiones europeas (Caillet et al. 2001), siendo su comportamiento el correspondiente a regiones con climas similares (Kaste et al. 2011). A pesar de estas discrepancias el depósito de Be-7 por lluvias muestra, como ha sido ampliamente descripto, una muy buena correlación lineal con la magnitud de la precipitación (Juri Ayub et al. 2009 y 2012). Por otro lado, para un área donde no se ha producido ganancia o perdida de suelo,  siendo el único mecanismo plausible de perdida de Be-7, el decaimiento radiactivo; Lohaiza et al. (2014) encuentra mayor contenido en suelo del predicho a partir de las precipitaciones. Estos resultados indican que para regiones como San Luis, caracterizadas por un régimen estacional de lluvias, el depósito seco podría tornarse un factor relevante durante la estación seca.

En un estudio reciente realizado en un campo de cultivo de un área agrícola de la región semiárida de Argentina sometido a tipo de labranza tradicional (arado), se realizó un estudio de la erosión del suelo utilizando la técnica basada en el uso del radionúclido cosmogénico Be-7 (de Rosas et. al., en prensa). En este estudio, en el sitio de referencia, el contenido de suelo Be-7 tiene una concentración apreciable en el primer centímetro de suelo, mostrando el típico descenso exponencial exponencial del contenido de suelo Be-7 con la profundidad. El valor de los inventarios de Be-7 fue de 340 ± 50 Bq m-2 (estación seca) y 571 ± 48 Bq m-2 (estación lluviosa). En la estación húmeda, se aplicó la técnica Be-7 para estimar la erosión del suelo en un sitio sometido a prácticas tradicionales de labranza (arado). Los resultados obtenidos muestran una erosión neta del suelo de 13.5 t ha-1 (1.35 kg m-2), esto indica que una capa superficial de 1.3 mm de suelo se perdió en un corto período de tiempo, debido a los eventos de lluvia que tuvieron lugar en el mes anterior al muestreo del suelo.