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Documentan la travesía del polvo sahariano hacia Yucatán

Geraldine Castro
16/08/2021

En una colaboración multidisciplinaria entre investigadores de física, química y ciencias de la atmósfera se ha documentado por primera vez en México la llegada natural del polvo africano. Esto tras monitorear el aire en la Península de Yucatán, analizar su composición con diversos métodos, incluyendo la fluorescencia de rayos X y reconstruir la trayectoria de los vientos implicados en este fenómeno.

Entre las fuentes naturales de partículas suspendidas en la atmósfera, el polvo mineral -después del rocío del mar-, contribuye con gran parte de las partículas suspendidas en la atmósfera. La composición de este polvo está ampliamente influenciada por los desiertos e integra también los restos de erupciones volcánicas y el material del suelo donde hay actividades agrícolas. África emite 70 por ciento de las partículas originadas en desiertos.

Indagar la situación local de estas partículas importa porque degradan la calidad del aire y representan un problema para la salud humana; sin embargo, su presencia no sólo implica problemas, ya que los flujos de polvo mineral contienen nutrimentos que los ecosistemas aprovechan y además son determinantes para regular la radiación y los ciclos de agua en el planeta.

El material particulado (PM) es indicador de contaminación y se clasifica según su diámetro aerodinámico; las partículas de 10 micrómetros (PM10) pueden penetrar en el tracto respiratorio superior, mientras que las de 2.5 micrómetros (PM2.5) pueden entrar hasta los alvéolos pulmonares.

África emite 70 por ciento del polvo mineral originado en los desiertos. Giphy

En el artículo “African dust particles over the western Caribbean Part I: Impact on air quality over the Yucatán Peninsula”, refieren la parte negativa de las altas concentraciones de polvo mineral, pues se han relacionado con enfermedades cerebrales, cutáneas, respiratorias y cardiovasculares, entre otras. Además, el polvo africano puede llevar material biológico, tal como se reportó en 2001 con la presencia de bacterias y hongos sobre las Islas Vírgenes o como anteriormente se detectó en la Península de Yucatán.

En el estudio participó el doctor Javier Miranda Martín del Campo, del Instituto de Física de la UNAM, quien aseguró que es importante investigar las partículas atmosféricas, porque “sus propiedades y cantidades tienen efectos en la salud, el cambio climático, la formación de nubes e incluso en la economía”.

La colaboración es clave para cazar polvo

El doctor Miranda, quien ha ejercido cargos académicos-administrativos en el Instituto de Física y Centro de Ciencias de la Atmósfera de la UNAM, actualmente está adscrito y es jefe del departamento de Física Nuclear y Aplicaciones de la Radiación del Instituto de Física. El investigador refirió que este proyecto es parte de la colaboración multidisciplinaria “Polvo africano y quema de biomasa sobre Yucatán” (ADABBOY, por sus siglas en inglés), el cual busca determinar con diferentes técnicas analíticas y experimentales la influencia del polvo del Sahara en Yucatán y el efecto de incendios forestales en la región.

En la investigación, publicada en la revista Atmospheric Chemistry and Physics, participaron el doctor Luis Antonio Ladino Moreno y la Dra. Graciela Raga, del Centro de Ciencias de la Atmósfera y encargados de la colaboración ADABBOY; investigadores del Posgrado en Ciencias Químicas y de la Facultad de Ciencias de la UNAM; especialistas de la Facultad de Química de la Universidad Autónoma de Yucatán (UADY); así como del Departamento de Salud Comunitaria y Epidemiología de Canadá; y de la empresa Tecnologías de Medición de Gotas de EUA.

Los esfuerzos por detectar polvo mineral en Yucatán atienden a lo ya conocido sobre la física de estas partículas. Por ejemplo, su relevancia en la formación de nubes y los patrones de las temperaturas globales, debido a que sus propiedades ópticas de dispersión y absorción modulan la presencia de pequeños cristales en las nubes, que no siempre producen lluvia, pero que afectan el modo en que se enfría o calienta la atmósfera.

Hacer que el aire nos cuente su identidad

El investigador del IFUNAM indicó que en verano hay corrientes de aire con la capacidad de levantar y trasladar polvo desde África hasta América, trayendo partículas suspendidas hacia nuestra atmósfera, algunas de tamaños que las personas podemos respirar. Detalló que, al ser Yucatán un terreno plano, todo lo que venga del océano cubre directo a la península.

En este estudio se muestrearon contaminantes atmosféricos durante dos semanas de julio de 2017 y dos semanas del mismo mes en 2018, con el uso de dos aparatos: un Partisol y un Minivol, ambos diseñados para que únicamente acepten en sus filtros partículas de tamaños respirables por el ser humano. Los equipos se instalaron en la Facultad de Química de la UADY, sitio que forma parte de la Red Universitaria de Observatorios Atmosféricos, la cual a su vez dirige el Centro de Ciencias de la Atmósfera.

El doctor en ciencias explicó que, en esencia, el equipo de muestreo funciona como una aspiradora con un flujo de aire regulado y un filtro que puede ser de diferentes materiales: de Teflon, policarbonato o fibra de cuarzo. Debido a que el material se decide en función del estudio, en esta ocasión utilizaron Teflon, por ser un “compuesto químico que sólo tiene carbono y flúor, que no interfiere en los análisis que harán de los elementos más pesados”, mencionó el doctor Javier.

Para detectar los elementos presentes en cada muestra, usaron fluorescencia de rayos X (XRF), con ayuda del espectrómetro de rayos X del Laboratorio de Aerosoles del IFUNAM. Este equipo fue diseñado y construido por el personal del Instituto de Física. “Es una técnica útil para medir concentraciones elementales, es decir, determinar qué tanta masa de un elemento de la tabla periódica está en una muestra”, comentó.

Espectrómetro de rayos X del Laboratorio de Aerosoles del IFUNAM. Crédito de foto: Javier Miranda

La virtud de estos equipos, indicó, es que “todo se hace en un sólo experimento, una sola medición da información simultánea de todos estos elementos sin destruir la muestra”. “El espectrómetro funciona con un tubo que produce rayos X primarios que inciden sobre la muestra e interaccionan con los átomos que componen estas partículas, mismas que emiten rayos X secundarios. Las energías de estos rayos son características de cada uno de los elementos de la tabla periódica”, aseguró.

Si ponemos un detector de rayos X frente a la muestra, agregó, podemos saber qué elementos componen las partículas suspendidas. “Imagina un modelo simple de un átomo del que tienes el núcleo y los electrones dando vueltas, la mecánica cuántica nos dice que las energías de estos electrones están definidas dependiendo del elemento”, explicó.

Además, detalló que “los electrones están en diferentes niveles, algunos más cercanos al núcleo, llamado nivel K; cuando los rayos X primarios interactúan con un electrón de esa capa, lo expulsan del átomo y éste último se queda con un hueco en ese nivel de energía. Un sistema siempre tiene que estar en su nivel de energía más bajo por lo que, al retirar un electrón, el átomo queda excitado; la forma que tiene para desexcitarse es pasar un electrón de una capa más alta a la capa cercana al núcleo y ocupar el hueco. Sin embargo, continúa la presencia de cierto exceso de energía y así el átomo logra deshacerse del excedente con la emisión un fotón de rayos X, es decir una partícula de luz con una energía que corresponde al de los rayos X”.

Cuando los rayos X producidos por la muestra llegan al detector, que en este caso es una pastilla de silicio, se produce un pulso eléctrico que indica cuántos fotones de rayos X se registraron para cada elemento. Por ejemplo, si se tiene una muestra con mucho hierro, habrá un registro de muchos fotones de rayos X con energía 6.4 keV; si se trata de azufre, serán muchos con energía 2.7 keV.

“Es necesario verificar el funcionamiento del equipo y la exactitud de los resultados, para estudiar adecuadamente los impactos en la salud y el ambiente", puntualizó el investigador.

Vigilar el aire que respiramos

Con este análisis, los investigadores identificaron en las muestras de Yucatán la presencia de hierro (Fe), aluminio (Al), silicio (Si), calcio (Ca), sodio (Na), fósforo (P), magnesio (Mg), manganeso (Mn), titanio (Ti), cloro (Cl), zinc (Zn), potasio (K), azufre (S), cobre (Cu) y níquel (Ni).

También se obtuvo que las cantidades de los materiales eran dependientes de sus tamaños, pues pudieron detectar que para PM2.5 y PM10 hubo concentraciones altas que alcanzaron 54 millonésimas de gramo por cada metro cúbico de aire (μg m−3) y 135 μg m−3, respectivamente. Cabe destacar que estos datos son relevantes para referirse a la calidad del aire, pues la Organización Mundial de la Salud (OMS) indica que estas partículas comienzan a ser un problema para la salud a partir de los 25 μg m−3 para PM2.5 y de 50 μg m−3 para PM10.

Respecto a la concentración de fondo en Yucatán, que definieron tomando los valores más bajos dentro del período de muestreo, detectaron altas concentraciones en ciertos momentos, las que se reportaron en 2017 significaron un aumento del 300 por ciento para PM2.5 y del 500 por ciento para PM10. Para 2018, el incremento de PM2.5 fue de 200 por ciento y para PM10 de 300 por ciento.

Esas altas concentraciones fueron denominadas picos de polvo africano y los elementos observados, que fueron silicio, aluminio, potasio y hierro, eran más abundantes que en las partículas de fondo; esto sugiere que los picos se deben a partículas minerales asociadas con polvo africano. Además los picos se observaron durante la presencia de los vientos del este, que son los que transportan polvo africano.

“El estudio se complementa con mediciones vía satélite que permiten identificar cómo se transporta el polvo. La nube de polvo que se ve por satélite llega en los momentos en que se tiene un aumento de elementos, es decir coincide con los picos”, indicó Javier Miranda.

Concentración de elementos 2017 y 2018. Crédito de foto: Luis A. Ladino et al.

Este comportamiento ha sido observado en otras regiones donde se ha revisado la composición del aire, como Puerto Rico, Miami y Barbados. Los investigadores destacan en su artículo la importancia del monitoreo continuo de estas partículas en América Latina, para México, Belice, Guatemala y Honduras, tal como se hace en Barbados desde 1965 y en Miami desde 1974.

El investigador señaló que, en general, los polvos que provienen de suelo son ricos en aluminio, silicio, calcio, hierro y titanio; a diferencia del polvo de mar, que son de sodio y cloro; o los que se producen por los incendios, que identifican con cloro y potasio; mientras que muchas partículas producidas por el ser humano están enriquecidas con azufre.

Lo que el viento se llevó y nos trajo

Para identificar el origen de los vientos se usó el programa gratuito HYSPLIT, de la Agencia del Océano y la Atmósfera de Estados Unidos (NOAA), que permite reconstruir las trayectorias del viento de manera temporal y espacial.

Tal ejercicio es conocido como retrotrayectorias y esta investigación ayudó a confirmar el origen africano en los picos de polvo. Esto se suma a los reportes previos que refieren que 25 por ciento de las emisiones del desierto del Sahara pasan a través del océano Atlántico hacia los Estados Unidos, México, el Caribe y América del Sur.

Para esta colaboración de ADABBOY, los investigadores corroboraron sus datos con los referidos por MERRA-2, de la Oficina de Modelado y Asimilación global de la NASA, que es el primer programa en considerar datos meteorológicos y de aerosoles de múltiples fuentes de teledetección terrestres y espaciales durante décadas para simular propiedades de aerosoles en distintas partes del mundo. El uso de MERRA-2 confirmó que la llegada de masas de aire seco de África se relacionan muy bien con los picos.

Además, revisaron la profundidad óptica de aerosoles (AOD, por sus siglas en inglés) indicada por los satélites MODIS Aqua y Terra, para julio de 2017 y julio de 2018, que “mide absorciones ópticas, es decir la luz en las partículas. Donde hay mucha absorción se debe a que hay más partículas en general, y una de estas puede ser el polvo mineral”, explicó el doctor Javier Miranda. De ahí que con ello pudieran confirmar la llegada de columnas de polvo africano a la península.

El equipo de investigación señala en el artículo que las herramientas, como HYSPLIT y MERRA-2, son útiles cuando faltan mediciones en el lugar, “especialmente en países en desarrollo donde la instrumentación necesaria es escasa”.

Respecto a la importancia del monitoreo, los investigadores apuntan que las partículas de polvo africano en la Península de Yucatán podrían ser una potencial amenaza para la salud de sus habitantes, pues sirven como portadoras de material biológico originario y, de tratarse de “patógenos oportunistas, pueden causar una variedad de enfermedades en las regiones receptoras”, se lee en el artículo.

El investigador detalló que “se deben realizar estudios epidemiológicos antes y después de la llegada del polvo africano a la península de Yucatán. Esto permitirá a los tomadores de decisiones conocer su impacto en la salud y cómo mitigarlo, puesto que no es una fuente de partículas que pueda controlarse”.

En relación a estos temas, el doctor Miranda Martín del Campo ha colaborado con el Instituto Nacional de Cancerología, para analizar la relación entre la formación del cáncer y el asma con las concentraciones atmosféricas de elementos químicos como el cobre, el cual tiene origen industrial. Además, ha estudiado la llegada del polvo del desierto vecino a Mexicali, Baja California, desierto de EUA, así como mediciones de la calidad del aire en otras ciudades mexicanas, como Colima, Monterrey, San Luis Potosí y Campeche.