Contaminación atmosférica

M. Janowiak

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Generalidades
Generalidades: 

Existe una estrecha vinculación entre el cambio climático y la contaminación atmosférica ya que muchos contaminantes del aire y gases de efecto invernadero tienen fuentes en común y pueden interactuar entre sí afectando el medioambiente terrestre de maneras complejas. Esta página temática se basa en los contaminantes del aire de mayor importancia por sus efectos en el crecimiento y la salud de los bosques, incluyendo el ozono troposférico (O3), y varios componentes del nitrógeno reactivo (Nr).

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Síntesis
Síntesis: 
Autores
 
Andrzej Bytnerowicz, Estación de Investigación del Suroeste del Pacífico; Mark Fenn, Estación de Investigación del Suroeste del Pacífico; y Chuck Sams, Región 8 del Servicio Forestal de los Estados Unidos (USFS, por sus siglas en inglés); con la asistencia de Linda Pardo y Molly Robin-Abbott, Estación de Investigación del Norte.
 
Se encuentra disponible una versión archivada de este trabajo.
 

Problemas

Si bien el cambio climático y la contaminación atmosférica están estrechamente vinculados, en el ámbito de la investigación científica y, con bastante frecuencia, en política, estos factores han sido separados durante mucho tiempo.  Varios de los contaminantes atmosféricos y gases de efecto invernadero más conocidos no solo tienen fuentes en común, sino que también pueden interactuar física y químicamente en la atmósfera provocando distintos impactos ambientales a escala local, regional y global. Los efectos combinados de varios factores del cambio climático y la contaminación atmosférica pueden ser completamente distintos a los efectos producidos separadamente debido a numerosas interacciones (1).
 
Las vinculaciones entre el cambio climático y la contaminación atmosférica llegan hasta el medioambiente terrestre con impactos que son complejos y altamente variables en tiempo y espacio. Los contaminantes del aire de mayor importancia por sus efectos en el crecimiento y la salud de los bosques son el ozono troposférico (O3), y varios componentes del nitrógeno reactivo (Nr)* y su deposición. Por lo tanto, en esta síntesis nos enfocamos en la deposición del O3 y N considerándolos los factores de contaminación atmosférica que tienen los efectos más pronunciados en los bosques de los Estados Unidos y en otros ecosistemas terrestres. Si bien el dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), y aerosoles atmosféricos (como el carbono negro y hollín) son contaminantes del aire que juegan un papel importante en el calentamiento del clima, no los vamos a tratar en profundidad en este trabajo. Otros contaminantes importantes son el dióxido de sulfuro (SO2 ) que aún contribuye de manera significativa a la deposición de sustancias ácidas, y el mercurio (Hg) que, en su forma metilada (CH3Hg+), es una destacada toxina ambiental (2, 3).

 


Tabla 1. Simbolos y nombres de compuestos químicos mencionados en esta Página Temática.

Chemical Symbol

Name
C Carbono
MeHg Metilmercurio
CH4 Metano
CO2 Dióxido de carbono
Hg Mercurio
HNO3 Ácido nitrico
N Nitrógeno
N2O Óxido nitroso
NH3 Amoniaco
NH4+ Ion amonio
NO2 Dióxido de nitrógeno
NO3- Ion nitrato
NOx Óxido de nitrógeno
O3 Ozono
PM2.5 Diámetro de las particulas <2.5mm
PM10 Diámetro de las particulas <10mm
SO2 Dióxido de sulfuro

 

El ozono es un gas de efecto invernadero que tiene la 3ª fuerza radioactiva, o efecto de calentamiento, después del CO2 y CH4 (4). También es considerado como el contaminante atmosférico fitotóxico más importante (tóxico directo a las plantas) ya que afecta el crecimiento y la salud de los bosques y cultivos agrícolas (5; 6). Entre los impactos negativos que el O3 produce en las plantas se pueden mencionar el daño a la clorofila, menor conductancia estomática, senescencia prematura del follaje, y menor masa de raíces (7), los cuales disminuyen la eficiencia de la fotosíntesis y causan una menor captura de CO2 por parte de la vegetación lo que también indirectamente produce un aumento del calentamiento del clima (8). El ozono se produce a través de una serie de reacciones fotoquímicas complejas entre los óxidos de nitrógeno (NOx) y los hidrocarbonos a la luz solar. Un alto nivel ambiental de O3 ocasionó la muerte masiva de bosques de coníferas mixtos, especialmente de especies susceptibles como los pinos Ponderosa y Jeffrey en las montañas de San Bernardino (9, 10) y las laderas occidentales de las montañas de Sierra Nevada (11) en la década del 60 y el 70. Si bien el daño causado por el ozono predispuso directamente la mortalidad de los árboles, la causa definitiva de la muerte fueron otros factores tales como la sequía y los escarabajos de corteza (12; 13). El O3 ambiental también fue la causa de lesiones en el follaje de varias especies forestales susceptibles a lo largo de gran parte del este de los Estados Unidos hasta mediados de la década del 90 (14).

Si bien los procesos de combustión son la mayor fuente de NOx, las actividades agrícolas son las principales responsables de las emisiones de amoníaco (NH3) y óxido nitroso (N2O). Al igual que el O3, ciertos compuestos del N pueden afectar al sistema climático de manera directa. Los óxidos nitrosos pueden aumentar la formación de O3 (efecto de calentamiento) y también incrementar la eliminación del CH4 (efecto de enfriamiento). Además, tanto el NOx y el NH3 pueden provocar un efecto de enfriamiento facilitando la dispersión de luz producida por aerosoles (15). Los compuestos del N también se depositan en el paisaje y ejercen influencias sobre los ecosistemas de manera directa. Esta deposición afecta las fuentes y sumideros de absorción de gases de efecto invernadero tales como el N2O, CH4, y CO2, pero su efecto dominante son los cambios en los almacenamientos de carbono (C) de los ecosistemas (16). El nitrógeno es un nutriente esencial, necesario para el correcto desarrollo de las plantas, sin embargo una deposición de N muy alta puede producir graves consecuencias ecológicas en los bosques cuando contiene cantidades superiores a las cargas críticas **. Las deposiciones de N y azufre elevadas contribuyen a la acidificación de los ecosistemas terrestres y acuáticos, y producen desprendimientos de metales pesados tóxicos en suelos que afectan a las poblaciones de árboles y peces del bosque (2; 3). Actualmente se han extendido más los excesos de las cargas críticas de N provocando nutrientes con exceso de N o el efecto de eutrofización en varias ecorregiones de los Estados Unidos. Esto puede provocar cambios en la composición y riqueza de las especies (especialmente en las comunidades de plantas de líquenes y sotobosques), invasión de especies de plantas exóticas, contaminación del agua y el suelo por NO3-, y predisposición de los árboles a la sequía y las pestes (17; 18, 19; 20; 21). También se pueden producir cambios en las comunidades de hongos del bosque (22, 23; 21). La supervivencia de los árboles varía a medida que aumenta el N y no está necesariamente ligada al crecimiento (24). Sin embargo, se ha relacionado de manera negativa el crecimiento de varias especies de árboles orientales con el exceso de cargas críticas de acidez por N y azufre (S) (25).

  1. Niebla fotoquímica en la Cuenca de Los Ángeles (mirando hacia el oeste desde Camp Paivika, laderas occidentales de las montañas de San Bernardino).
  2. Conjunto típico de dosímetros pasivos utilizados para supervisor la contaminación atmosférica en los bosques del oeste de los Estados Unidos.
  3. Efectos del ozono, sequías y escarabajos de la corteza en el pino ponderosa de las montañas de San Bernardino.
  4. Monitor portátil de ozono (O3) con sistema solar o a batería utilizado en lugares remotos.
  5. Campamento Paivika en las montañas de San Bernardino donde se muestra la regeneración efectiva de los bosques después del incendio del 2003 (Old Fire) bajo condiciones de contaminación atmosférica y los efectos del cambio climático.
  6. Líquenes oligotróficos y eutróficos, indicadores de algunos de los efectos ecológicos de la deposición de nitrógeno. Crédito: Linda Geiser

Cambios probables

Después de un período de concentraciones muy altas de O3, entre las décadas de los 50 y los 80, las concentraciones ambientales de O3, especialmente los valores pico, comenzaron a declinar en los Estados Unidos (26; 27). Estas tendencias de disminución de los índices fitotóxicos del O3 ***, que son la medida de los efectos tóxicos del O3 en las plantas, se registraron en todo el territorio de los Estados Unidos (28), incluso en zonas occidentales como las montañas de San Bernardino del sur de California (29). Si bien las concentraciones futuras de O3 van a depender ampliamente de los avances tecnológicos en los sectores de industria, energía y transporte, se estima que este proceso de disminución va a continuar debido a mejoras en las estrategias de control de la contaminación atmosférica. Sin embargo, también se prevé que el aumento de las temperaturas ambientales va a producir un índice más elevado de generación de O3 que va a contrarrestar la tendencia descendente de las concentraciones de O3 (30, 31). El O3 también se genera por incendios forestales, y se estima que con el cambio climático estos van a ser cada vez más grandes y se van a producir con mayor frecuencia (32). Además, a escala más regional, durante la primavera, las concentraciones de O3 en el oeste de los Estados Unidos van a continuar aumentando debido al transporte a gran distancia de precursores de O3 desde Asia (33). Si esto sucede, se podría revertir la mejora de la salud de los bosques que se ha notado últimamente, según se comprueba en la disminución del daño en las hojas de plantas susceptibles en los bosques del este (comunicación personal con el Dr. Howard Neufeld) y del oeste (Dr. Andrzej Bytnerowicz, sin publicar).

Probablemente, las concentraciones de NOx y HNO3 continuarán disminuyendo debido a la implementación de medidas de control de la contaminación atmosférica. Sin embargo, seguramente seguirán produciéndose emisiones descontroladas de NH 3, la mayoría por actividades agrícolas y automóviles con convertidores catalíticos de 3 vías, y provocarán una continua y elevada deposición de nitrógeno en el Oeste Medio y en algunas regiones en California y el este de los Estados Unidos (34). Por lo tanto, también continuarán en un futuro predecible, los excesos de cargas críticas de N nutriente en ecosistemas susceptibles.

Las interacciones entre el cambio climático y la contaminación atmosférica seguramente van a presentar complejidades adicionales. Por ejemplo, los cambios climáticos tales como el aumento de las temperaturas del aire y los cambios en los patrones de lluvias podrían afectar de manera significativa las respuestas de los ecosistemas forestales a las deposiciones de N y S (35). Las temperaturas más elevadas pueden aumentar la capacidad de los suelos forestales para procesar y neutralizar la deposición atmosférica acidificante (36).

Los niveles elevados de CO2 pueden mejorar la eficiencia del uso del agua de plantas reduciendo la conductancia estomática, o el intercambio de CO2 y vapor de agua entre una planta y la atmósfera. Sin embargo, un índice elevado de O3 puede anular este efecto debido a una menor ganancia fotosintética (37). Un nivel elevado de CO2 puede reducir la absorción de O3 de las plantas, disminuyendo los efectos fitotóxicos contaminantes (Ainsworth et al. 2012). Sin embargo, el O3 también puede dañar los estomas de las plantas (38; 39; 40). La abertura irrestricta de los estomas podría causar luego pérdidas de agua más grandes y descontroladas en las plantas a través de la evapotranspiración, dejando menos agua en los suelos y menos agua corriendo hacia los arroyos (41), y en consecuencia, disminuirían las corrientes de agua y las sequías serían más frecuentes y severas.

Estas interacciones complejas ilustran los desafíos para proyectar los efectos combinados de temperaturas más elevadas, un mayor índice de CO2, variabilidades en la disponibilidad de agua y nutrientes, deposiciones de O3 y N y otros factores abióticos y bióticos. Además, cualquier proyección de contaminación atmosférica futura y cambios climáticos presenta un alto grado de incertidumbre debido a la dificultad para predecir nuevos desarrollos en la producción y el uso de energía.

Opciones de gestión

Información de decisiones de gestión: necesidades de investigación y supervisión

Para poder recomendar y aplicar estrategias de gestión que aborden los complejos efectos interactivos del cambio climático y la contaminación atmosférica, es esencial que comprendamos mejor los cambios espaciales y temporales en la distribución de los contaminantes atmosféricos más importantes, como también su efecto en plantas de dosel cerrado y cubierta a nivel del sotobosque. Existe una necesidad urgente de mejorar el control del O3 ambiental y los compuestos de Nr en zonas forestales remotas, especialmente en terrenos complejos donde los modelos existentes no funcionan correctamente. En este contexto, se podrían utilizar más ampliamente los dosímetros pasivos y los monitores portátiles de O3 con sistema solar o a batería. Estas actividades de supervisión podrían estar vinculadas a la red de Montañas y Bosques Experimentales (EFRs, por sus siglas en inglés) del Servicio Forestal de los Estados Unidos. Las técnicas modernas de detección remota para medir la contaminación atmosférica deberían analizarse en mayor profundidad ya que podrían ser de gran ayuda para comprender la distribución de contaminantes a gran escala en regiones forestales remotas. También se necesitan poderosos modelos holísticos capaces de evaluar los efectos interactivos de varios contaminantes atmosféricos, cambio climático, transporte de contaminación atmosférica a larga escala, estado nutricional del ecosistema, prácticas de gestión y otros factores de estrés bióticos o abióticos. Los modelos regionales y globales de ciclos hidrológicos y funciones ecosistémicas relacionadas deberían considerar las posibles interacciones del O3 con el cambio climático futuro. Es fundamental mantener las vertientes de agua forestales donde los investigadores pueden recoger información y modelos de prueba.

Los índices y umbrales de la calidad del aire pueden utilizarse para ayudar a los administradores forestales a comprender los riesgos que enfrentan los bosques con los contaminantes atmosféricos y planificar respuestas de gestión efectivas. En el caso del O3, se están realizando investigaciones para desarrollar modelos que describan con mayor precisión las respuestas fisiológicas de las plantas al O3 (modelos basados en flujos) los cuales podrían mejorar los índices futuros (p. ej., DO3SE, 42). Sin embargo, en la actualidad, la medida más práctica para relacionar los estándares de calidad de aire ambiental con la respuesta de la vegetación puede ser el uso de un índice basado en la exposición general de la vegetación al O3 (43). Recientemente la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (US EPA, por sus siglas en inglés) recomendó que el índice W126 basado en la exposición sea un nuevo estándar secundario de O3 para la protección de la vegetación. El uso de este estándar recientemente propuesto podría ayudar muchísimo a los administradores de recursos a comprender los riesgos potenciales del O3 en los bosques y planificar las futuras medidas de gestión.

Resulta necesario comprender mejor las distribuciones a escala espacial y temporal de la deposición seca de N, la deposición de agua de nubes y de los factores claves de las deposiciones (tales como NH3, HNO3 y NO2, e iones NO 3- NH4+ y N orgánico) para identificar las fuentes de la contaminación y desarrollar opciones para su control. También se necesitan mejores modelos para describir la deposición de Nr en bosques remotos (especialmente en terrenos montañosos complejos). De la misma manera, los umbrales de calidad del aire para el Nr, tales como las cargas críticas para los efectos ecológicos, deberían continuar desarrollándose y aplicándose para la protección y restauración de ecosistemas expuestos a la contaminación crónica del aire (3).

Es de gran importancia supervisar la salud de los bosques evaluando los impactos del O3 en plantas susceptibles y los cambios en las comunidades de líquenes causados por la deposición de N. Estos registros de cambios biológicos continuos y de largo plazo pueden mostrar tendencias y el alcance de impactos negativos de la contaminación atmosférica y otros factores de estrés interactivos (p. ej. sequías, pestes y enfermedades) en los bosques. El programa de Supervisión de Salud Forestal del Servicio Forestal de USDA ofrece la oportunidad de realizar evaluaciones en todo el país.

Respuestas de gestión

El raleo en sectores densos de los bosques, especialmente en el oeste de los Estados Unidos, mejora la resiliencia y la capacidad para enfrentar los múltiples factores de estrés, incluso el cambio climático y la contaminación atmosférica (44; 45; 46; 13). Esto se puede realizar teniendo en cuenta las diferencias en la susceptibilidad al O3 de varias especies de árboles. El uso de quemas controladas podría ser una de las herramientas a las que se podría recurrir para el raleo del bosque. Estas quemas también podrían ayudar a eliminar el N acumulado en la superficie del bosque y las capas superiores del suelo, reduciendo así de manera efectiva los riesgos de saturación de N (47). Si bien las emisiones de las quemas controladas pueden llegar a exceder los estándares de calidad del aire, especialmente las materias particuladas (PM2.5 and PM10), las quemas controladas y los posibles impactos en las personas son más fáciles de manejar que los de los incendios forestales. La aceptación del fuego como una herramienta de gestión podría requerir de un control integral a larga escala de las emisiones de humo y del uso de modelos capaces de predecir la distribución espacial y temporal de los contaminantes tóxicos provenientes de las quemas y podrían utilizarse para mejorar las respuestas de gestión y la planificación (48).

Al planificar la restauración forestal, los responsables de las tomas de decisiones deberían tener en cuenta las diferencias en las respuestas a los contaminantes específicos, tales como el O3, y también los efectos interactivos complejos de la contaminación atmosférica y el cambio climático. Por ejemplo, las plantaciones forestales podrían incluir genotipos con baja sensibilidad al O3.

Las vinculaciones entre los cambios climáticos proyectados y sus efectos en los procesos del ecosistema, la circulación atmosférica, la química atmosférica, la deposición atmosférica y otros factores de estrés, resaltan las dificultades para abordar los efectos de la contaminación atmosférica en la gestión in situ. Evidentemente, es de fundamental importancia contar con una estrecha colaboración entre científicos y administradores de tierras para mantener los bosques saludables y resilientes haciendo frente a los futuros efectos complejos de la contaminación atmosférica y el cambio climático.

Definiciones

*definición de nitrógeno reactivo (Nr): todos los compuestos del nitrógeno biológicamente activos, químicamente reactivos y radiactivamente activos en la atmósfera y biósfera terrestre. El nitrógeno reactivo comprende formas de N inorgánicas reducidas químicamente (NHx ) [ej. amoníaco (NH 3) e ion de amoníaco (NH4+)], formas de N inorgánicas químicamente oxidadas [ej, óxidos de nitrógeno (NOx), ácido nítrico (HNO3), óxido nitroso (N2O), pentaóxido de dinitrógeno (N2O5), ácido nitroso (HONO), compuestos de peroxy acetyl tales como el peroxyacetyl nitrato (PAN), e ion nitrato (NO3-)], como también los compuestos orgánicos (ej., urea, aminas, aminoácidos, y proteínas). [ver pdf]
**definición de cargas críticas: "el límite de deposición de contaminantes a partir del cual comienzan a producirse efectos perjudiciales en receptors susceptibles según los datos disponibles actualmente" [ver pdf]. Para más información, ver Pardo 2006 (49).
***la explicación de los índices de fitotoxicidad del ozono comúnmente utilizados en los Estados Unidos y Europa se describe en su totalidad en (43)

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Cómo Citar: 

Bytnerowicz, A.; Fenn, M.; Sams, C. (Enero, 2014). Contaminación Atmosférica y Cambio Climático. Centro de Recursos del Cambio Climático, Servicio Forestal, Departamento de Agricultura de los Estados Unidos: www.fs.usda.gov/ccrc/temas/contaminacion-atmosferica.

Lectura
Investigación
Investigación: 
Hay muchos proyectos de investigación del Servicio Forestal relacionados con la contaminación atmosférica y el clima. Por favor visite el Research Roundup y buscar con Disturbances and Stressors -> Air Pollution para obtener más información.
Herramientas
Herramientas: 

Ecosystem-Based Management Tools Network: http://www.ebmtoolsdatabase.org/resource/climate-change-vulnerability-assessment-and-adaptation-tools

NOAA Employing New Tools to Accurately Measure Climate Change: http://www.noaanews.noaa.gov/stories2008/20080424_climatechange.html

Tools for Climate Change Vulnerability Assessments for Watersheds [pdf]: http://www.ccme.ca/assets/pdf/pn_1494_vat.pdf

Measurement and Monitoring - Air: http://www.epa.gov/geoss/eos/txt_mm_air.html

EPA - Air Research: http://www.epa.gov/airscience/