LA QUEMA DE BIOMASA EN SUDAMÉRICA VISTA DESDE EL ESPACIO Diana M. Mielnicki, Pablo O. Canziani, James Drummond*, Juan Pablo Skalany
Programa de Estudio de los Procesos Atmosféricos en el Cambio Global Universidad Católica Argentina
* University of Toronto - Canada
RESUMEN
La quema de biomasa por incendios es una práctica común en Sudamérica, generadora de gases de efecto invernadero y la mayor fuente de contaminación atmosférica a escala continental. A partir del desarrollo de mediciones satelitales, es posible obtener una visión integrada de la magnitud de este problema. Los incendios tienen un ciclo anual que depende de las épocas de sequía, pero son influenciados por factores económicos, sociales y culturales. Los valores mensuales de monóxido de carbono y aerosoles finos se utilizan para mostrar las variaciones regionales del ciclo anual y el fenómeno del transporte de la contaminación.
ABSTRACT
Biomass burning by fires is a common practice in South America that releases greenhouse gases and is the major source of atmospheric pollution at continental scale. Through the development of satellite measurements, it is possible to obtain an integrated vision of the magnitude of the problem. Fires have an annual cycle depending on the dry seasons, but they are also influenced by economic, social and cultural factors. Monthly measurements of carbon monoxide and fine aerosols are used to show the regional variations in the annual cycle and the pollution transport phenomena.
1. INTRODUCCIÓN
La quema de biomasa implica la quema de vegetación viva o muerta por medio de incendios, incluyendo pastizales, bosques y residuos agrícolas, generalmente para despejar las tierras y convertirlas a usos agrícola-ganaderos. En este trabajo no se incluye dentro de la quema de biomasa a los biocombustibles, que se utilizan en reemplazo de combustibles fósiles ni la biomasa para energía de uso doméstico. El fenómeno de la quema de biomasa por incendios no está restringido a una región geográfica sino que se produce en todo el mundo. Aunque parte de estos incendios pueden ser de origen natural (debido a rayos), la mayoría es el resultado de prácticas humanas, accidentales a veces, pero generalmente deliberadas.
En escala local y regional, la quema de biomasa produce contaminación, con impacto sobre los ecosistemas y sobre la salud y seguridad de la población local. Sus efectos varían desde la irritación en ojos y piel y dificultades respiratorias producto de los gases y aerosoles producidos por el fuego hasta daños directos en plantas, animales, propiedades y personas [Galanter y otros, 2000]. En escala regional y global, la quema de biomasa es una fuente significativa de emisiones gaseosas y particuladas a la atmósfera. Las emisiones incluyen: gases de efecto invernadero como dióxido
de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), siendo un 40, 16 y 30 % respectivamente
de las emisiones antropogénicas totales [Andreae y otros, 1996]; gases químicamente activos como
el monóxido de carbono (CO), monóxido y dióxido de nitrógeno (NO, NO2) y una gran variedad de
hidrocarburos [Andreae y Merlet, 2001] que son precursores de ozono troposférico; gases que
afectan el ozono estratosférico como el cloruro y bromuro de metilo (CH3Cl, CH3Br) [Blake y
otros, 1996]. Se emiten además compuestos orgánicos persistentes como dioxinas y furanos (Inventario nacional de liberaciones de dioxinas y furanos, Argentina 2001, Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable). Los aerosoles liberados contienen elementos metálicos producidos por el calentamiento de la vegetación y los suelos [Pereira y otros, 1996].
El humo producido está dominado por partículas orgánicas finas con concentraciones variables de hollín, emitidas en la etapa caliente, de llama, de los incendios. En los incendios forestales ésta etapa es seguida por otra más fría, de brasa, en la cual se emite un humo compuesto de partículas orgánicas sin hollín, en mayores cantidades que durante la etapa de llama. Los pastizales se queman rápidamente en fuertes incendios de llama, que emiten grandes cantidades de hollín, sin etapa de brasa [Kaufman y otros, 2002].
Además de los efectos directos sobre la composición atmosférica y el clima, la quema de biomasa perturba los ciclos biogeoquímicos del nitrógeno y el carbono, el ciclo hidrológico, el albedo de las superficies, que a su vez impacta en el clima, y la estabilidad de los ecosistemas con importantes efectos sobre la biodiversidad.
Las perturbaciones en el ciclo hidrológico se deben principalmente al efecto de los aerosoles: la multiplicación de núcleos de condensación produce la formación de mayor cantidad de gotas más pequeñas. Las nubes resultan más brillantes desde el punto de vista radiativo y menos eficientes en la liberación de la precipitación. Como consecuencia de esto se produce una reducción de la radiación solar que llega a la superficie terrestre y un calentamiento de la atmósfera. Estos cambios en la estructura térmica de la atmósfera inhiben la convección y por lo tanto la precipitación, lo que lleva a una menor eficiencia en la remoción de los contaminantes [Ramanathan y otros, 2001]. Cuando la convección finalmente se produce, las alturas son mayores que las normales, resultando tormentas más violentas. La liberación de calor a mayor altura puede alterar las ondas planetarias en niveles altos, afectando el clima global [Andreae y otros, 2004] y la capa de ozono [Mullendore y otros, 2005]. Si estas precipitaciones más severas caen sobre suelos deforestados, se acelera la degradación de los mismos, se reduce cada vez más su capacidad de retención de humedad, y la evapotranspiración, y esto lleva al debilitamiento del ciclo hidrológico. Estos procesos estarán fuertemente ligados a los problemas de la disponibilidad y calidad del agua dulce en los próximos años.
Aunque los aerosoles producidos por la quema de biomasa tienen un efecto radiativo negativo, la
liberación neta de CO2 y el cambio de albedo de las superficies refuerzan el calentamiento global a
largo plazo [Jacobson, 2004].
En el centro-sur de Sudamérica, los incendios están fuertemente relacionados con la conversión de bosques en pastizales y, en especial en los últimos años debido al aumento de la demanda mundial de soja y el aumento de su precio, al avance de la frontera agropecuaria [Morello y Mateucci, 1999]. La conversión de tierras a la producción se realiza con escasos conocimientos acerca del funcionamiento de los ecosistemas naturales, frecuentemente productores de recursos vegetales y animales valiosos y que proporcionan servicios ambientales de reciclado, descontaminación y protección de los suelos incalculables.
En el noreste argentino, sobre una superficie de bosques nativos calculada en 2004 de 22 millones de hectáreas, 7 millones se encuentran en proceso avanzado de agriculturización. Mientras que en el total de las provincias de Santa Fé, Entre Ríos, Misiones, Corrientes, Santiago del Estero, Chaco y Formosa, la deforestación representó el 38% de los bosques nativos de envergadura en menos de una década, para Santiago del Estero y Chaco (fig.1) la pérdida de masa boscosa fue del 47% y del 27% para Misiones [CIOMTA, 2004].
En los últimos años se han realizado numerosas investigaciones para determinar la influencia de la la región amazónica y sus modificaciones, sobre el clima regional, es especial a través del Large-Scale Biosphere-Atmosphere Experiment [Avissar y Nobre, 2002, edición especial JGR] pero no existen estudios comparables en las amplias regiones de Bolivia, Paraguay y Argentina en las que los incendios también son importantes.
El monóxido de carbono así como los aerosoles además de ser importantes productos de la quema de biomasa, pueden utilizarse como trazadores de los demás compuestos emitidos. Aunque existe un modelo de pronóstico del transporte de monóxido de carbono y aerosoles producidos por la quema de biomasa [http://tucupi.cptec.inpe.br/meio_ambiente/], las mediciones in-situ de algunos de estos compuestos son inexistentes en Sudamérica, aparte de Santarem y Fortaleza en Brasil y Ushuaia en Argentina. En cuanto a los aerosoles existe la red AERONET y los lidares que operan
en CITEFA, Villa Martelli, Argentina. Dada esta falencia en las mediciones en la región, la utilización de mediciones satelitales de CO y aerosoles permite estimar las variaciones regionales del ciclo anual y el transporte de la contaminación. Otros trabajos recientes con datos satelitales se han enfocado en el hemisferio norte [Edwards y otros,2004; Yurganov y otros, 2004] y en zonas tropicales [Edwards y otros, 2003; Bremer y otros, 2004].
2. INCENDIOS EN SUDAMÉRICA
El momento en que se produce la quema de biomasa por incendios en cada región está relacionado
con la temporada seca local. Al comienzo de la estación seca se cortan los árboles más pequeños y
se dejan secar para mantener la combustión de los árboles más grandes. Dos o tres meses después la vegetación está suficientemente seca y se produce el pico de incendios [Carvalho y otros, 2001]. En este trabajo no se analizan los incendios producidos al oeste de la Cordillera de los Andes, ya que aunque pueden tener un gran impacto local o incluso regional, no afectan globalmente al continente debido a la altura de la cordillera.
Figura 1. Imagen MODIS , 18/8/2003, los puntos rojos indican la detección de incendios MODIS en el norte de Argentina y Paraguay. A la derecha se muestra la ampliación del cuadro con las plumas de incendios en Chaco, Santa Fé y Santiago del Estero.
En la figura 2 se presentan los incendios mensuales detectados entre 2001 y 2004 por el AVHRR/ NOAA-12 en (a) Argentina, Bolivia y Paraguay, y (b) Brasil. Nótese la diferencia de escala en ambos figuras y la periodicidad de los máximos en los incendios. No se incluye Uruguay entre estos países del Cono Sur, ya que los incendios no son una práctica común en este país y por lo tanto su número es muy bajo.
La forma de las curvas varía debido a la gran extensión de estos países y a los distintos tipos de biomasa quemada. En el este de Sudamérica se distinguen distintas regiones de incendios [Duncan y otros, 2003; sección 3 de este trabajo]. Al norte del Amazonas la quema se produce principalmente entre diciembre y mayo, con los máximos entre febrero y abril. En la región al sudeste de la desembocadura del Amazonas, la quema maximiza en noviembre-diciembre. En el centro de Sudamérica, Bolivia, Paraguay, norte de Argentina y la región del Mato Grosso en Brasil, los incendios se producen entre julio y diciembre, con máximos entre agosto y octubre. En el centro y sur de Argentina existe un máximo adicional en enero, como consecuencia de los incendios de pastizales en la región oeste de la zona pampeana. Los incendios de bosques patagónicos, que también se producen en esta época y que contribuyen al máximo, son en general en áreas pequeñas aunque pueden tener emisiones importantes. Los incendios de pastizales a fines del verano, no son
tan perjudiciales para la vegetación como los incendios de fines del invierno- primavera, en que se
están produciendo los nuevos brotes. Según estudios realizados en troncos de caldén, los pastizales de La Pampa sufren incendios naturales cada alrededor de 7 años [J. Nazar Anchorena,
comunicación privada]. Los gases de efecto invernadero emitidos en la quema de pastizales se vuelven a fijar en la vegetación a través del rápido crecimiento de los mismos, al contrario de lo que sucede en la quema de bosques.
La variabilidad interanual depende no sólo de la cantidad y variabilidad temporal de las precipitaciones, sino también de las presiones sociales, económicas y culturales para el uso de las tierras. Se destacan especialmente los incendios en Argentina durante 2003 y en Bolivia en 2004, impulsados por la expansión de la soja en dichos países.
Ince ndios e n Arge ntina , Bolivia y P a ra gua y 2001/04
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Enero 01' Mar zo Mayo Jul io Sep tiemb. Novi embr e Ener o 02' Marz o Mayo Jul io Septi emb . Nov iem bre Ener o 03' Marz o Mayo Julio Sep tiemb . Nov iemb re Ener o 04 ' Marz o Mayo Jul io Sep tiem b. Nov iemb re
Número de incendios /mes
Argentina B olivia Paraguay
Ince ndios e n Bra sil 2001/04
0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 6 0 0 0 0 7 0 0 0 0 8 0 0 0 0 Ener o 01 ' Mar zo Mayo Julio Sep tiem b. Novie mbre Ener o 02 ' Mar zo Mayo Julio Sep tiemb. Nov iembr e Ener o 03 ' Mar zo May o Julio Sep tiemb . Nov iembr e Ener o 04 ' Mar zo May o Julio Sep tiemb . Nov iembr e Número de i n cendi os / m es B rasil
Figura 2. Incendios mensuales detectados por el AVHRR/NOAA-12, a) Argentina, Bolivia, Paraguay; b) Brasil.
En la figura 3 a) se observa la cantidad de incendios durante los meses de agosto a setiembre (época donde se registra la mayor cantidad de incendios) desde 1999 a 2004 en estos mismos países. Como puede verse, la cantidad de incendios que se produce en Brasil es mucho más alta que la del resto, sin embargo si se tiene en cuenta la superficie de cada país (fig. 3b), se observa la importancia que tiene la quema de biomasa en Bolivia y Paraguay. Lo mismo sucede cuando se hace la relación entre la cantidad de incendios y la de habitantes (fig. 3c). Nótese particularmente el máximo que alcanza la relación entre cantidad de incendios y número de habitantes (fig. 3b) en la Argentina durante el año 2003.
3. MEDICIONES SATELITALES 3.1. Monóxido de carbono
El CO se mide satelitalmente por medio del instrumento MOPITT (Measurement of Pollution in The Troposphere) a bordo del satélite Terra desde marzo de 2000. Este radiómetro de correlación gaseosa tiene una resolución de 22x22 km, y mide en un ancho de 640 km transversal a la trayectoria del satélite, por lo que cubre toda la superficie terrestre cada aproximadamente 3 días. Las mediciones se realizan sólo con cielo despejado y no son afectadas por las altas concentraciones de aerosoles presentes en las plumas de incendios [Emmons y otros, 2004].
Figura 3. a) Incendios producidos entre agosto y setiembre, b) en relación a la superficie del país, c) en relación a la cantidad de habitantes (Censo año 2000).
El monóxido de carbono tiene distintas fuentes: la quema de combustibles fósiles, la quema de biomasa, la oxidación de hidrocarburos biogénicos y la oxidación de metano. En el hemisferio sur, la más importante es la quema de biomasa [Holloway y otros, 2000; Manning y otros, 1997]. El principal sumidero del CO es su oxidación por el radical libre hidroxilo (OH), lo que determina un tiempo de vida en latitudes medias de alrededor de dos meses. Consecuentemente el CO puede utilizarse como un trazador de contaminación [Deeter y otros, 2003]
Las mediciones del MOPITT se proporcionan en 6 niveles (850, 700, 500, 350, 250 y 150 mb), aunque análisis posteriores indicaron que la resolución vertical permite determinar las concentraciones en dos capas: troposfera baja por encima de la capa límite atmosférica, y troposfera superior [Deeter y otros, 2004]. En este trabajo se utilizaron los datos de 850 mb por ser los más representativos del transporte de la contaminación en Sudamérica [Mielnicki, 2004].
3.2. Aerosoles MODIS
La concentración de aerosoles en la columna atmosférica puede determinarse mediante el espesor óptico de los aerosoles, el cual describe la atenuación de la luz solar producida por una columna de aerosoles.
Un espesor óptico menor que 0,1 indica un cielo límpido con visibilidad máxima, mientras que el máximo de la escala, 4, indica una concentración de aerosol tan densa que impide el paso de la luz solar al mediodía. Desarrollos recientes en la observación y procesamiento de datos satelitales de aerosoles, permiten distinguir entre partículas gruesas y finas. Las partículas gruesas, con radios de 1 a 10 µm, son comúnmente polvo o aerosoles marinos, de origen natural. Las partículas finas, con
radios menores a 0,5 µm se forman directa o indirectamente por procesos de combustión, tanto de combustibles fósiles como de biomasa. [Kaufman y otros, 2002].
Los instrumentos MODIS a bordo de los satélites Terra y Aqua, realizan mediciones en 36 bandas espectrales discretas, lo que permite el cálculo de diversas variables, entre ellas espesor óptico de aerosoles gruesos y finos. Las mediciones de estos instrumentos (resolución 10x10 km) cubren totalmente la superficie terrestre en 1-2 días, aunque los datos disponibles corresponden solamente a las horas diurnas locales. Estas no son sensibles a la distribución vertical y en general son indicativas de las concentraciones de aerosoles en la capa límite atmosférica cercana a las fuentes [Edwards y otros, 2004].
3.3. Discusión
Las altas concentraciones de CO así como el espesor óptico de los aerosoles finos, provienen en Sudamérica fundamentalmente de la quema de biomasa. Están determinadas no solamente por las emisiones, sino también por el transporte producido por los vientos y la deposición seca y húmeda. Las emisiones dependen del área quemada, el tipo de vegetación y la cantidad de biomasa presente, y del tipo de combustión [Freitas y otros, 2005] Las mediciones de aerosoles son más sensibles a las concentraciones en la capa límite, por lo que sus valores están menos influenciados por el transporte que los de CO.
En la figura 4 se presentan los promedios mensuales de los espesores ópticos de aerosoles finos y gruesos y las concentraciones de CO en distintas regiones de Sudamérica. Los aerosoles gruesos (de origen natural), tienen espesores ópticos muy bajos, excepto en la Patagonia (H), donde aumentan en verano.
Como puede observarse claramente, en general hay una alta correlación entre los aerosoles finos y el CO en escala mensual (no se dispone de los datos de CO para la zona A). En todas las zonas al sur del ecuador se observa un máximo entre julio y noviembre, pero con características diferentes para cada región.
En la zona C, la quema de biomasa (y por lo tanto el aumento de los aerosoles y de CO) se prolonga hasta diciembre. En ésta región y también en la E, se observa un incremento en enero a marzo en ambas variables, debido al fuerte transporte de productos de la quema de biomasa desde África ecuatorial, ya que esta es su época de quema. Aunque la detección satelital de aerosoles es más sensible a los aerosoles en la capa límite, y no conocemos a que altura se encuentran los aerosoles transportados desde África, son lo suficientemente importantes como para ser detectados por el MODIS.
La zona B está formada principalmente por el estado brasileño de Amazonas, en el que la quema de biomasa es muy baja. Sólo en los límites norte de zona se producen incendios en febrero-marzo y en el límite sur a partir de abril y hasta noviembre. En febrero de 2004, se observa un incremento en los aerosoles, probablemente por incendios en la región de Mato Grosso (al sur) que también influencia a la región E. Una alta concentración de CO y aerosoles bajos en enero- junio en los demás años, indica también la importancia del transporte en esta región.
Aunque las concentraciones máximas de CO se encuentran en las zonas B, D y E, los mayores valores de aerosoles se producen en la zona D (Bolivia y Mato Grosso, Brasil), lo que indica que es la región más afectada por la quema de biomasa en Sudamérica. Valores especialmente altos de aerosoles se produjeron en 2004, cuando se detectaron 17000 focos de incendios en Bolivia y 24000 en el estado de Mato Grosso en el mes de setiembre (según datos NOAA-12).
La zona F tiene un comportamiento similar al de la D, aunque con concentraciones menores.
En la zona G, región pampeana de Argentina, se observan dos fenómenos diferentes: la quema en agosto-setiembre, con máximos en aerosoles y CO; mientras que en enero a marzo se observa alto aerosol y bajo CO. Esto puede deberse a que en verano se producen principalmente incendios de pastizales, que emiten aerosoles, pero al no tener fase de brasa emiten menores cantidades de CO que son dispersadas rápidamente por los vientos. En cambio en invierno-primavera, la quema de biomasa está relacionada en mayor medida con la quema de cubierta boscosa.
Figura 4. Promedios mensuales de espesor óptico de aerosoles finos y gruesos y concentraciones de monóxido de carbono en 850 mb en las regiones indicadas en el mapa.
4. CONCLUSIONES
En la actualidad no hay una estadística completa de la cantidad exacta y el tamaño los incendios que se realizan en Sudamérica. Sumado a esto, la detección satelital de focos de incendios no permite todavía conocer con precisión el tamaño de las superficies quemadas, y las estimaciones se realizan con grandes errores, en especial en zonas de selvas tropicales y subtropicales. En este contexto adquiere relevancia el desarrollo de las nuevas mediciones de variables atmosféricas tales como CO y aerosoles, lo cual permite obtener información más precisa acerca de los efectos sobre la atmósfera de la quema de biomasa.
En Sudamérica se observan regímenes de incendios diferentes en distintas regiones, los cuales dependen principalmente de los ciclos anuales y variabilidad de las precipitaciones, aunque están fuertemente influenciados por presiones sociales, económicas y culturales.
Existe una alta correlación en escala mensual entre aerosoles finos y el monóxido de carbono, medidos satelitalmente, aunque es distinto el nivel de la atmósfera en que se detectan. Las mediciones de monóxido de carbono, por su detección a mayor altura, están más influenciadas por el proceso de transporte. Ambos son productos de la quema de combustibles, tanto fósiles como biomasa, pero en América del Sur su principal fuente es la quema de biomasa por incendios, como se infiere de su ciclo anual y porque existe una alta relación entre sus concentraciones y los incendios regionales. En algunas zonas las altas concentraciones se deben principalmente a las emisiones de incendios en la misma región y en otras prevalece el transporte de productos provenientes de la quema en otras regiones.
En Sudamérica se produce un alto número de incendios anualmente. Si bien la quema en Brasil es la de mayor magnitud, la importancia relativa de la quema en Paraguay y Bolivia es muy alta en términos de superficie y población, así como el avance de la deforestación de bosque nativo en el norte argentino.
Los efectos de la contaminación de la atmósfera en escala regional pueden ser muy importantes. Zonas todavía poco accesibles, y por lo tanto poco alteradas de la selva amazónica (con bajo número de incendios), se ven afectadas por el transporte de los productos de la quema de biomasa precursores de contaminantes nocivos como el ozono troposférico. Los aerosoles, en especial, pueden tener un alto impacto sobre el ciclo hidrológico en una región que es fundamental para el equilibrio del agua en todo el continente.
Es bien conocido el impacto de los gases de efecto invernadero emitidos en la quema de combustibles fósiles que se produce principalmente en el hemisferio norte, en gran parte para procesos productivos generadores de riqueza. En América del Sur la emisión de gases de efecto invernadero por quema de combustibles fósiles es menor a la producida por la quema de biomasa, obteniéndose solo ganancias a corto plazo y una gran pérdida de biodiversidad y calidad de la tierra.
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