Registros ambientales del cambio global

Oct 2014

Ana Carolina Ruiz Fernández et al.


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El Cambio Climático ocasionado por el incremento del bióxido de carbono en la atmósfera es responsable del progresivo calentamiento del aire y del aumento del niveldel mar. Pero eso no es todo, el cambio climático es sólo uno más en el gran número de cambios que la humanidad ha causado en el planeta durante los últimos 100 años, los cuales, en su conjunto, son conocidos como Cambio Global (CG), concepto que incluye, por ejemplo, la erosión debida a los cambios de uso del suelo y la contaminación del ambiente provocada por las descargas de desechos tanto domésticos como industriales. 1

En este artículo abordamos, especialmente, la contaminación de los ecosistemas, uno de los impactos más graves del CG, cuya evaluación es posible mediante el estudio de indicadores, para lo que es necesario conocer los niveles naturales (o de referencia) —es decir, los anteriores a este gran cambio—; en este caso, las concentraciones de los contaminantes en lugares prístinos (o los menos dañados), aunque son prácticamente inexistentes en nuestros días.

Figura 1
Una alternativa para conocer los niveles de referencia es determinar sus valores en el pasado, cuando la huella del hombre, a nivel planetario, era mucho menor. Tomando en cuenta que el periodo de mayor impacto en la Naturaleza ha sido la era industrial, tendríamos que contar con medidas de un indicador determinado durante, al menos, los últimos 100 años. Sin embargo, los programas de monitoreo de largo plazo son escasos o abarcan sólo algunas décadas. Entonces, ¿qué hacer?

La respuesta está en los archivos ambientales. Veamos: el impacto del hombre ha sido registrado por la propia naturaleza en los anillos de los árboles, el hielo de las zonas polares y los sedimentos; en particular, los núcleos sedimentarios (figura 1), que son una excelente forma —y muchas veces la única— de estudiar las condiciones ambientales en el pasado. A continuación veremos de qué forma podemos estudiar el impacto del cambio global en nuestro planeta.



El perfil sedimentario



La reconstrucción ambiental a través de los sedimentos se basa en el principio de que los estratos (o capas) del sedimento se encuentran en el mismo orden en el que se depositaron: los más antiguos debajo de los más recientes… (principio de superposición); y si estos estratos no se han mezclado a lo largo del tiempo, reflejarán la secuencia temporal de eventos que tuvieron lugar en el pasado. Así, si recuperamos un archivo sedimentario inalterado y establecemos un marco temporalconfiable —es decir, la fecha en que se formó cada capa—, es posible reconstruir las condiciones ambientales que prevalecían en el momento de la formación de los estratos.

Para reconstruir el cambio global, es indispensable escoger lugares en los cuales el sedimento haya sufrido una mínima perturbación, pues, si los estratos han sido mezclados, es equivalente a un libro deshojado, desordenado y sin número de páginas. Los sitios de muestreo más adecuados son relativamente profundos, y los sedimentos deben ser predominantemente finos (lodos), pero con cierto grado de compactación, pues el sedimento demasiado poroso es más susceptible a la resuspensión. Por supuesto, es indispensable evitar los sitios dragados o aquellos en los que se realice pesca de arrastre, así como los fondeaderos de embarcaciones, donde los sedimentos pueden estar mezclados.



El marco temporal


Para establecer la edad de los sedimentos, se cuenta con técnicas de fechado basadas en la determinación de isótopos radioactivos. Denominamos isótopos a las variedades de átomos cuyos núcleos tienen igual número atómico (suma de protones), pero diferente número de masa atómica (suma de protones y neutrones). Los isótopos radioactivos (oradionúclidos) tienen núcleos inestables y pierden el exceso de energía mediante el proceso de desintegración radioactiva, lo que implica la emisión espontánea de partículas alfa (α) o beta (β) y rayos gamma (γ). En este proceso, el átomo original (radionúclido padre) se transforma en el átomo de otro elemento que puede ser estable o radioactivo (radionúclido hijo), con lo cual se establece una cadena de desintegraciones sucesivas (serie radioactiva) que concluye sólo cuando se produce un elemento estable.

Los radionúclidos pueden tener origen natural, como parte de las series radioactivas que existen desde la formación de la Tierra (por ejemplo: la serie del 238U) o ser artificiales, principalmente liberados al ambiente como residuos de las pruebas de armamento nuclear (1954-1964) en la atmósfera, y de la operación de plantas nucleares que producen energía eléctrica.

Debido al proceso de desintegración radioactiva, la concentración de los radionúclidos en los sedimentos disminuye con el paso del tiempo; es ésta la característica que permite utilizarlos como cronómetros radioactivos. Cada radionúclido tiene una velocidad constante de desintegración que lo caracteriza, la cual se mide a través del semiperiodo (o tiempo de semi desintegración), que es el tiempo necesario para que la concentración de un radionúclido disminuya 50% de su valor original.

Entre más lenta sea la desintegración del radionúclido (es decir, que su semiperiodo sea mayor) éste puede ser usado para fechar sedimentos más antiguos. Así, el 14C (carbono 14), con un semiperiodo de 5,700 años, se usa para fechar sedimentos entre 500 y 50,000 años; y el210Pb, con un semiperiodo de 22.26 años, permite fechar sedimentos recientes de 100 a 150 años de antigüedad, la época de interés para estudios relacionados con el Cambio Global.

El 210Pb es un radionúclido natural de la serie radiactiva del 238U (figura 2a). En los sedimentos, una fracción del 210Pb se produce en el mismo lugar (conocida como210Pbsoportado) y otra fracción (210Pben-exceso) se forma en la atmósfera, por la desintegración del gas 222Rn, que emana de los suelos (figura 2b). El 210Pben-exceso se precipita y llega a la columna de agua de los sistemas acuáticos, donde se adhiere a las partículas que sedimentarán en el fondo de lagos y mares. El 210Pb puede también ser depositado en los suelos y arrastrado a los cuerpos acuáticos por escorrentía.


Con el depósito de 210Pben-exceso en la superficie de los sedimentos, da inicio el cronómetro radioactivo (figura 2c), ya que la concentración de 210Pben-exceso disminuirá gradualmente con el paso del tiempo. Al comparar la concentración de 210Pben-exceso—en la superficie de un núcleo sedimentario— con las concentraciones remanentes en los estratos subsecuentes, es posible establecer las edades de cada estrato, así como la tasa de acumulación sedimentaria (o TAS: incremento anual del espesor del sedimento).2,3 Un núcleo sedimentario fechado con210Pb es un valioso registro que permite reconstruir diversos aspectos del impacto del CG en los ecosistemas durante los últimos 100 años. Por ejemplo, se ha utilizado para evaluar las tendencias históricas de la contaminación por compuestos orgánicos persistentes (COP), como los bifenilos policlorados (PCB), que se caracterizan por presentar altas toxicidad, ubicuidad y capacidad de bioacumulación. De hecho, los PCB son muy volátiles, por lo cual pueden dispersarse a grandes distancias alrededor del planeta: en los lugares más cálidos los gases son liberados a la atmósfera, transportados por las masas de aire y terminan depositados en zonas más frías, fenómeno que denominamos destilación global. 4

La figura 3 indica el aumento progresivo de la concentración total de bifenilos policlorados en núcleos sedimentarios de dos embalses ubicados en zonas rurales del altiplano de Jalisco.

Si bien las concentraciones de PCB son bajas, es notable que la tendencia de la contaminación por estos compuestos vaya en aumento a partir de la década de 1990. El estudio claramente mostró que las especies de bifenilos policlorados presentes en los sedimentos son muy ligeras y, por tanto, volátiles; además, que su presencia en estas áreas remotas muy probablemente se debe al transporte atmosférico de largo alcance, ya que no existen fuentes industriales cercanas a los sitios de estudio que pudieran explicar la presencia de estos contaminantes(figura 3).




Una verdadera cápsula del tiempo


Los registros sedimentarios fechados con 210Pb son poderosas herramientas para el estudio del cambio global en la era industrial; son auténticas máquinas del tiempo que nos permiten mirar hacia atrás, ya que nos brindan información cuantitativa sobre las condiciones ambientales existentes en el pasado. Descubrir tal situación implica determinar la edad de las capas sedimentarias que estudiamos; información que permite conocer mejor los impactos del cambio global y establecer, sin ambigüedad, los niveles de referencia para utilizarlos como indicadores ambientales, que pueden convertirse en parámetros medibles durante la aplicación de los planes de manejo y conservación de cada ecosistema. Estos niveles no se pueden extrapolar con facilidad y, por tanto, deben ser obtenidos en cada sitio de interés; por ello es recomendable que el análisis de registros sedimentarios se incluya de manera rutinaria en los programas de monitoreo ambiental.




Curriculum

Ana Carolina Ruiz Fernández es Doctora en Ciencias del Mar y Limnología, especialista en geoquímica isotópica y geocronología. Es investigadora del Instituto de Ciencias del Mar y Limnología-UNAM, miembro del SNI (II), investigadora asociada del Centro GEOTOP, de la Universidad de Quebec, Montreal. Miembro de la cartera de expertos del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) y del Grupo de Expertos en Aspectos Científicos de la Protección del Ambiente Marino de las Naciones Unidas (GESAMP). Ha publicado alrededor de 60 artículos científicos y ha recibido los reconocimientos al mérito académico “Gabino Barreda”, “Alfonso Caso” y “Sor Juana Inés de la Cruz”, que otorga la UNAM.

Joan Albert Sanchez Cabeza es Doctor en Ciencias, especialista en el uso de radiotrazadores e isótopos para el estudio de procesos ambientales. Es investigador del ICML-UNAM y miembro del SNI (II). Fue Director del Laboratorio de Radiometría, del Organismo Internacional de Energía Atómica (2004-2009). Ha sido experto y secretario técnico del Grupo de Expertos para los Aspectos Científicos de la Protección del Ambiente Marino (GESAMP). Ha publicado más de 150 artículos científicos en revistas y libros.

Federico Páez Osuna es Doctor en Ciencias del Mar y Limnología, especialista en geoquímica y contaminación costera. Es investigador del ICML-UNAM, miembro del SNI (III) y de El Colegio de Sinaloa. Ha recibido la Distinción UNAM para Jóvenes Académicos en Ciencias Naturales 1993, el Reconocimiento por la Excelencia en la Investigación del Gobierno de Sinaloa 1998, el Premio SEMARNAT al Mérito Ecológico 2002, la Medalla al Mérito Académico UNAM 2003, el Premio Sinaloa de Ciencia y Tecnología 2003 y el Premio Sol Ciencia 2003 de la Organización Editorial Mexicana.

Jorge Feliciano Ontiveros Cuadras es Maestro en Ciencias del Mar y Limnología, especialista en métodos radiométricos, actualmente estudiante del Programa de Doctorado en Ciencias del Mar y Limnología, UNAM.


Referencias


1. P. M. Vitousek (1994). “Beyond Global Warming: Ecology and Global Change”. Ecology75(7), 1861-1876.

2. J. A. Sánchez-Cabeza, A. C. Ruiz-Fernández (2012). “210Pb Sediment Radiochronology: an Integrated Formulation and Classification of Dating Models”. Geochimica et Cosmochimica Acta.

3. A. C. Ruiz-Fernández, C. Hillaire-Marcel, A. de Vernal, M. L. Machain-Castillo, L. Vásquez, B. Ghaleb, J. A. Aspiazu-Fabián, F. Páez-Osuna (2009). “Changes of Coastal Sedimentation in the Gulf of Tehuantepec, South Pacific Mexico, Over the Last 100 Years from Short-Lived Radionuclide Measurements”. Estuarine Coastal and Shelf Science 82, 525-536.

4. S. L. Simonich y R. A. Hites (1995). “Global Distribution of Persistent Organochlorine Compounds”. Science 269, 1851- 1854.


Literatura consultada


◂ Ferrer Soria, A. (2011). Física nuclear y de partículas, 2.ª ed. Universitat de Valencia. 632 pp.

◂ Ruiz-Fernández, A. C., J. F. Ontiveros-Cuadras, J. L. Sericano, J. A. Sánchez-Cabeza, L. L. Wee-Kwon, R. B. Dunbar, D. A. Mucciarone, L. H. Pérez-Bernal, F. Páez-Osuna. “Long-Range Atmospheric Transport of Persistent Organic Pollutants to Remote Lacustrine Environments”. Science of the Total Environment (en prensa).



Fuente: CONACYT
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