RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Variación de la concentración de radón-222 en el aire de un ambiente subterráneo como trazador de los procesos de intercambio de gases cavidad-
4.1.3. Procedimiento de cálculo de la condensación efectiva.
En otra línea de trabajo, se calculó experimentalmente las curvas de adsorción de vapor de agua por condensación para diferentes muestras frescas (no meteorizadas) de la toba del afloramiento volcánico de Gáldar, que conforma el encajante de la cueva. La experimentación se desarrolló dentro de un proyecto previo más amplio de conservación de este enclave subterráneo titulado "Determinación de rangos microclimáticos óptimos para minimizar los procesos de deterioro de soporte y pinturas de la cueva Pintada de Gáldar", gracias al convenio de colaboración entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Consejería de Cultura y Patrimonio Histórico del Cabildo de Gran Canaria, y cuyos principales resultados se encuentran en Benavente et al., 2009.
Los ensayos de adsorción de vapor, descritos en el capítulo de Metodología (apartado 3.3.2), permitieron calcular la cantidad máxima de vapor de agua que adsorbe la toba volcánica encajante a diferentes humedades relativas del aire. La Figura 2A muestra la curva media de adsorción de vapor de agua por la roca del encajante a diferentes humedades relativas, expresada en valores de ganancia de peso respecto al peso inicial en seco de la muestras (Δm/m0). La curva media de adsorción muestra un nítido cambio de tendencia a partir de una humedad relativa entre el 70 y el 75%. El crecimiento exponencial de adsorción de vapor de agua a partir de este valor umbral de humedad relativa ([HR]t) está relacionado con la activación de un proceso de condensación efectiva de vapor de agua que genera la deposición de finas películas de agua sobre el sistema de poros más superficial de la roca.
La condensación es un proceso dinámico que implica un flujo de vapor de agua entre el aire y una superficie sólida. El flujo varía con el tiempo e implica la alternancia entre condensación y evaporación del agua dependiendo de la dirección del gradiente de
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presión de vapor existente entre el aire y la superficie sólida. La condensación efectiva se produce cuando la presión de vapor en el aire es mayor que en la superficie de la roca, la cual es corregida con el valor umbral de humedad relativa, ([HR]t), por encima del cual la condensación es más activa debido a la presencia de un sistema poroso y a las sales disueltas.
A continuación, se detallan las condiciones microclimáticas que favorecen la activación de este proceso de condensación efectiva de vapor de agua, así como el procedimiento de cálculo a partir de los datos termohigrométricos del aire y de la superficie de la roca y en función de los resultados derivados de los ensayos de adsorción de vapor. La activación e intensidad de la condensación efectiva del agua en un sustrato geológico poroso (expresado en gramos de vapor de agua condensada por metro cúbico de aire) están controladas por las condiciones microclimáticas y por las propiedades del sistema poroso en el sustrato (principalmente la porción superficial de la superficie de la roca/suelo). La cantidad de vapor de agua que condensa en la superficie expuesta de la roca o suelo depende de la evolución a lo largo del tiempo en las diferencias de la presión de vapor entre el aire y la superficie de la roca/suelo, así como del control ejercido por el sistema de poros de la roca sobre el proceso de concentración basado en las experimentaciones de laboratorio para calcular las curvas de adsorción de las muestras de roca/suelo a diferentes humedades relativas. La presión parcial de vapor, Pv (expresada en hPao mbar) se relaciona con la humedad relativa (HR, %) según la siguiente ecuación:
HR (%) = (Pv/Pvs) · 100 [A1]
Donde, Pvs es la presión de vapor de saturación o en equilibrio (medida en hPa o mbar) que depende, a su vez, de la temperatura del aire (T en °C). En un ambiente bajo condiciones de saturación de vapor de agua y considerado una superficie plana de agua pura (es decir, sin ningún otro componente disuelto) a una temperatura entre -20° y 50°C, Buck en 1981 recomienda la siguiente ecuación de Magnus-Tetens para el cálculo de la presión de vapor de saturación:
Pvs = 6,1121 · exp [(17,502·T)/(240,97 + T)] [A2]
La ecuación anterior [A2] relaciona la presión de vapor de saturación (Pvs) del agua pura con la temperatura; sin embargo, se debe realizar una pequeña corrección cuando se trabaja con aire húmedo en vez de con vapor de agua pura. Esta corrección supone la inclusión de factor de mejora, f(T,P), que es una función dependiente de la temperatura y presión del aire, P0 (Buck, 1981), con la siguiente expresión;
f(T,P) = 1,01031-0,000869652·T + 0,00000362121·P0. [A3]
De forma similar, Pvs también se puede estimar en referencia a la temperatura de la superficie de la roca, Tr, que tendería a estar en equilibrio térmico con la fina capa de aire inmediatamente por encima de esta superficie. La presión de vapor de saturación para la temperatura de referencia de la superficie de la roca se calcula con la siguiente ecuación:
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La humedad absoluta (densidad de vapor de agua), Ha, expresada en gramos de vapor contenidos en un metro cúbico de aire, se puede inferir a partir del valor de Pvs (en mbar) considerando la ecuación de estado de un hipotético gas ideal, de la siguiente manera: Ha (g/m3) = m(H20) · [(Pvs · 106)/1,01325] / [R · (273,15 + T], [A5]
Donde, m(H2O) es el peso molecular del agua (18,01528 g/mol), R es la constante universal de los gases ideales (82,05746 cm3·atm·K−1·mol−1) y T es la temperatura del aire en C.
La condensación efectiva de vapor de agua comienza cuando la presión parcial de vapor en el aire (Pvs) excede de la presión de vapor de saturación calculada con la temperatura de la superficie de la roca (Pvs-roca), o bien posteriormente con la temperatura de la capa de agua previamente condensada en la superficie de la roca, que al ser una capa de agua tan fina alcanza rápidamente el equilibrio térmico con la superficie de la roca. El proceso de adsorción del agua sobre la superficie de la roca expuesta depende de la temperatura de la propia roca y de la solución, así como de la fuerza iónica de la solución y del radio medio del poro de la roca. En condiciones de equilibrio, las variaciones del potencial químico de la capa de agua (solución acuosa), dS, y del vapor, dV, deberían ser iguales y por tanto, la ecuación de Gibbs-Duhem puede expresarse según:
dS = VS dPS – SSdTs + RTs dln aH2O = dv = RTs dln PV, [A6]
Donde, Vs es el volumen molar de la solución, Ps es la presión de la solución, Pv es la presión de vapor, Ss es la entropía de la solución, Ts es la temperatura de la solución (igual a Tr bajo equilibrio térmico con la superficie de la roca), R es la constante del gas por mol y aH2O es la actividad iónica de la solución acuosa. A temperatura constante la ecuación anterior se simplifica según la siguiente expresión:
VS dPS + RTs dln aH2O = RTs dln PV. [A7]
En un material poroso no saturado en agua, como la roca porosa que recubre la cueva Pintada de Gáldar, la presión de capilaridad es negativa y está controlada por la curvatura del menisco que forma la solución-vapor en la entrada del poro, SV. En esta situación, la presión de la solución puede ser descrita como:
PS = P0 + SVSV, [A8]
Donde Po es la presión ambiental y SV es la tensión interfacial sólido-vapor. Por lo tanto, se aplica la derivada en el tiempo de la variación de la presión de la solución acuosa condensada mediante la siguiente ecuación (Flatt, 2002):
dPs=d(SVSV) [A9]
Sustituyendo la ecuación [A9] en la ecuación [A6] e integrando, resulta:
[A10]
En la ecuación [10], Pv es la presión de vapor y Pvs es la presión de vapor saturada. En los materiales porosos no saturados en agua, estos valores de presión no suelen ser
V VS O H SV SV p p V a O H SV SV Ld RT d a RT d p V ln ln ln 0 2 0 ln ln 2 93
suficientemente altos como para afectar a los volúmenes molares (Zilberbrand, 1999; Benavente et al., 2004), por lo tanto, la compresibilidad de la solución puede ser considerada como despreciable y, en consecuencia, la ecuación [A10] podrá ser integrada para obtener la siguiente ecuación simplificada:
VLSVLV + RTs ln aH2O = RTs ln (PV/PVS) [A11]
Si la interfaz de contacto de la solución dentro del poro es plana (sin efectos de curvatura), el primer término de la izquierda de la ecuación [A11] es despreciable y, por lo tanto, la actividad del agua en la solución dependería sólo de la humedad relativa según la ecuación [A1]. En cambio, si se considera un menisco con una superficie húmeda plana y un poro cilíndrico de radio r, la curvatura del menisco de la solución-vapor será LV = 2/r. En este caso, la presión de vapor en la superficie porosa de la roca puede calcularse según la siguiente expresión:
Pv = Pvs · aH2O · exp [(-2σsvVs/RTs)·(1/r)] [A12] o calcularse en términos de humedad relativa límite ([RH]t) según la siguiente ecuación: [RH]t/100 = aH2O · exp [(-2σsvVs/RTs)·(1/r)] [A13]
El valor umbral de humedad relativa ([RH]t) también puede estimarse en función del cambio de tendencia de las curvas de adsorción de vapor de agua, obtenidas para las muestras de roca expuestas a diferentes humedades relativas del aire y obtenidas experimentalmente en el laboratorio (Franzen & Mirwald, 2004; Benavente et al., 2009). De la ecuación [A13] se deduce que bajo las condiciones de estabilidad microambiental (Ts constante), el valor umbral de humedad relativa, [RH]t, es mayor conforme aumenta el radio del poro. Por lo tanto, la presión de vapor de saturación en la superficie de la roca (Pvs-roca) de la ecuación [A4] debe ser corregida en función de [RH]t (ecuación [A13]), lo que permite calcular la presión parcial de vapor a la temperatura de la superficie de la roca que permite el comienzo del proceso de condensación efectiva de vapor de agua (P’v- roca). Esta corrección se realiza de según la siguiente expresión:
P’v-roca = Pvs-roca· [RH]t / 100 [A14]
De forma similar, la humedad absoluta en la superficie de la roca bajo condiciones de condensación efectiva puede ser calculada al sustituir P’v-roca de la ecuación [A5].
Ha - roca (g/m3) = m(H20) · [(P’v-roca · 106)/1.01325] / [R · (273,15 + Tr] [A15]
La condensación efectiva se mantiene activa hasta que la presión parcial de vapor P’v-roca se equilibra con la presión de vapor de saturación en la superficie porosa de la roca (P’vs-roca), de acuerdo con la ecuación [A14] o, en otras palabras, una vez que la humedad relativa del aire se sitúa por debajo del valor umbral de humedad relativa ([RH]t) de acuerdo a la ecuación [A13]. En conclusión, la cantidad de vapor de agua que puede condensar de forma efectiva en la superficie de la roca (caracterizada por albergar un sistema de poros cilíndricos de radio medio r) puede ser calculada en gramos de agua por metro cúbico en el aire (CE, gH20/m3) según la siguiente ecuación:
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De forma contraria, cuando la Pvs<P’v-roca, el agua tiende a evaporarse de la superficie de la roca en una cantidad estimada según la diferencia de humedad absoluta; Ha - roca - Ha (gH20/m3).
4.1.4. Influencia de la condensación efectiva de vapor de agua sobre las variaciones