Carga crítica

En el estudio de la contaminación del aire , una carga crítica se define como "una estimación cuantitativa de una exposición a uno o más contaminantes por debajo de la cual no se producen efectos nocivos significativos sobre elementos sensibles específicos del medio ambiente según el conocimiento actual". ^[1]

La investigación sobre la contaminación del aire en relación con las cargas críticas se ha centrado en los contaminantes de nitrógeno y azufre . Después de que estos contaminantes se emiten a la atmósfera , posteriormente se depositan en los ecosistemas . Tanto la deposición de azufre como de nitrógeno pueden acidificar las aguas superficiales y los suelos . A medida que la acidez añadida reduce el pH del agua, la salud de los peces y los invertebrados se ve afectada negativamente. ^[2] El azufre y el nitrógeno, como agentes acidificantes, pueden cambiar el contenido de nutrientes del suelo al eliminar el calcio y liberar aluminio tóxico, lo que afecta aún más a las plantas y los animales. ^[3] La deposición de nitrógeno también puede actuar como fertilizante en el medio ambiente y alterar las interacciones competitivas de las plantas, favoreciendo así el crecimiento de algunas especies de plantas e inhibiendo otras, lo que podría provocar cambios en la composición y abundancia de las especies . La deposición de nitrógeno contribuye al enriquecimiento de nutrientes en los ecosistemas de agua dulce, costeros y estuarinos , lo que puede provocar floraciones de algas tóxicas , muertes de peces y pérdida de biodiversidad . ^{[4] [5]} Los contaminantes del aire afectan servicios ecosistémicos esenciales como la purificación del aire y del agua, la descomposición y desintoxicación de desechos y la regulación del clima.

Cuando la deposición es mayor que la carga crítica de un contaminante para una ubicación particular, se considera que se ha superado la carga crítica, lo que significa que la biota corre un mayor riesgo de sufrir daños ecológicos. Algunos componentes de un ecosistema son más sensibles a la deposición que otros; por lo tanto, se pueden desarrollar cargas críticas para una variedad de componentes y respuestas del ecosistema, incluidos (entre otros) cambios en las diatomeas, aumentos en las especies de pastos invasores, cambios en la química del suelo, disminución de la salud de los bosques, alteración y reducción de la biodiversidad y acidificación de lagos y arroyos.

La historia, la terminología y el enfoque utilizados para calcular las cargas críticas difieren según la región y el país. A continuación se analizan las diferencias entre los enfoques utilizados en los países europeos y en los EE. UU.

En los países europeos, las cargas críticas y el concepto similar de niveles críticos se han utilizado ampliamente en la Convención de la CEPE de las Naciones Unidas sobre la contaminación atmosférica transfronteriza a gran distancia de 1979. Como ejemplo, el protocolo de Gotemburgo de 1999 de la convención LRTAP tiene en cuenta la acidificación (de las aguas superficiales y los suelos ), la eutrofización de los suelos y el ozono troposférico y las emisiones de dióxido de azufre , amoníaco , óxido de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles no metánicos (COVNM). Para la acidificación y la eutrofización se utilizó el concepto de cargas críticas, mientras que para el ozono troposférico se utilizaron los niveles críticos.

Para calcular una carga crítica, primero se debe definir el ecosistema objetivo y en ese ecosistema (por ejemplo, un bosque ) se debe identificar un "elemento" sensible (por ejemplo, la tasa de crecimiento del bosque). El siguiente paso es vincular el estado de ese elemento a algún criterio químico (por ejemplo, la relación catión base / aluminio , Bc/Al) y un límite crítico (por ejemplo, Bc/Al=1) que no se debe violar. Finalmente, se debe crear un modelo matemático (por ejemplo, el modelo de balance de masa simple, SMB) para que se puedan calcular los niveles de deposición que dan como resultado que el criterio químico alcance exactamente el límite crítico. Ese nivel de deposición se denomina carga crítica y la diferencia entre el nivel de deposición actual y la carga crítica se denomina excedencia.

En el pasado, las cargas críticas se calculaban a menudo como un valor único, por ejemplo, la carga crítica de acidez. Hoy en día, a menudo se calcula una función de carga crítica bidimensional, con el eje x como deposición N y el eje y como deposición S. El concepto de cargas críticas es un concepto de estado estable y, por lo tanto, no incluye información alguna sobre cuánto tiempo pasa antes de que los efectos sean visibles. Una ilustración simplificada de los aspectos dinámicos es la función de carga objetivo, que es la carga a la que el criterio químico se recupera antes de un año elegido, el año objetivo. Por lo tanto, para los años objetivo en el futuro cercano, la función de carga objetivo es menor que la carga crítica y para los años objetivo en el futuro lejano, la función de carga objetivo se aproxima a la función de carga crítica.

El cálculo de las funciones de carga crítica y de carga objetivo incluye varias simplificaciones y, por lo tanto, puede considerarse como un concepto de riesgo: cuanto mayor sea la excedencia, mayor será el riesgo de efectos adversos y existe un cierto riesgo de que una excedencia cero aún conduzca a efectos adversos.

En los Estados Unidos, si bien antes de 2000 varias entidades discutían sobre las cargas críticas, los esfuerzos eran independientes y desarticulados. Sin embargo, en 2010, luego de una serie de talleres sobre cargas críticas entre 2003 y 2005 y de un comité ad hoc establecido en 2006, los esfuerzos nacionales se unificaron mediante el desarrollo del Comité Científico de Cargas Críticas de Deposición Atmosférica (CLAD, por sus siglas en inglés) como parte del Programa Nacional de Deposición Atmosférica (NADP, por sus siglas en inglés). El CLAD es un grupo multiinstitucional que consiste en agencias gubernamentales federales y estatales, organizaciones no gubernamentales, organizaciones de investigación ambiental y universidades. Los objetivos del CLAD son: facilitar el intercambio de información técnica sobre temas de cargas críticas dentro de una amplia audiencia de múltiples agencias/entidades, llenar los vacíos en el desarrollo de cargas críticas en los Estados Unidos, proporcionar coherencia en el desarrollo y uso de cargas críticas en los Estados Unidos, y promover la comprensión de los enfoques de cargas críticas mediante el desarrollo de materiales de divulgación y comunicación.

Los administradores de tierras federales, como el Servicio de Parques Nacionales , el Servicio Forestal de los Estados Unidos y el Servicio de Pesca y Vida Silvestre de los Estados Unidos, utilizan las cargas críticas para: identificar recursos en riesgo, enfocar los esfuerzos de investigación y monitoreo, informar la planificación y otras actividades de gestión de tierras, evaluar los impactos potenciales del aumento de las emisiones y desarrollar estrategias de reducción de la contaminación. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos está ampliando el uso de cargas críticas para evaluaciones y desarrollo de políticas, incluida la consideración de cargas críticas al establecer estándares nacionales de calidad del aire ambiental.

Los Estados Unidos han adoptado dos enfoques para crear cargas críticas: cargas críticas empíricas y de balance de masas en estado estacionario. Las cargas críticas empíricas se derivan en base a observaciones de respuestas de los ecosistemas (como cambios en la diversidad de plantas, niveles de nutrientes del suelo o salud de los peces) a niveles de deposición específicos. Estas relaciones se crean utilizando estudios de dosis-respuesta o midiendo las respuestas de los ecosistemas a gradientes crecientes de deposición en el espacio o el tiempo. Las cargas críticas de balance de masas en estado estacionario se derivan de modelos matemáticos de balance de masas bajo condiciones de equilibrio supuestas o modeladas. Una condición de estado estacionario puede lograrse en un futuro lejano. Los modelos utilizados para determinar las cargas críticas en estado estacionario varían en complejidad con respecto a la representación del proceso, pero pueden incluir la química del agua y el suelo, las tasas de meteorización del suelo mineral, datos de deposición y datos de respuesta ecológica.

En Asia, se han utilizado enfoques de balance de masas tanto empíricos como de estado estacionario para estimar cargas críticas. ^{[6] [7]} Las cargas críticas empíricas se determinaron simplemente como los niveles de deposición con ocurrencia de campo informada de efectos ecológicos perjudiciales. El modelo de balance de masas de estado estacionario calcula la carga crítica de un ecosistema a largo plazo definiendo valores aceptables para los elementos que se filtran del ecosistema.

Aunque las cargas críticas de nitrógeno empíricas han sido bien resumidas para Europa y los Estados Unidos, ^{[4] [5] [2]} todavía existen grandes incertidumbres en Asia debido a estudios experimentales muy limitados y de corto plazo utilizando niveles relativamente altos de aplicación de nitrógeno. ^[6] En regiones (por ejemplo, este y sur de China) donde la deposición histórica de nitrógeno ya ha sido muy alta y quizás incluso mayor que la carga crítica real, los estudios experimentales pueden no cuantificar las cargas críticas porque ya se han producido cambios sustanciales en el ecosistema. Además, los valores de las cargas críticas pueden variar notablemente cuando se basan en diferentes respuestas biológicas o químicas de un ecosistema, como la variación fisiológica, la biodiversidad reducida, la lixiviación elevada de nitratos y los cambios en los microorganismos del suelo. Se han evaluado cargas críticas empíricas para algunos bosques y pastizales en China, ^[6] pero los valores para muchos otros ecosistemas siguen sin evaluarse. Con más experimentos de campo emergentes, las cargas críticas se estimarán mejor en el futuro cercano.

En el sur y este de Asia, que comprende China, Corea, Japón, Filipinas, Indochina, Indonesia y el subcontinente indio, las cargas críticas se calcularon y mapearon por primera vez como parte del módulo de impacto de la versión asiática del modelo de simulación e información sobre contaminación del aire regional (RAINS-Asia) basado en el enfoque de balance de masa en estado estacionario. ^[8] Posteriormente, se calcularon cargas críticas con mayor resolución en muchos países asiáticos, como Japón, Rusia, Corea del Sur, India y China. ^[7] Aunque se aplicaron métodos similares en Asia y en Europa, el enfoque de balance de masa en estado estacionario se ha mejorado al considerar la deposición de cationes básicos. Las cargas críticas de balance de masa en estado estacionario se han utilizado para designar zonas de control de lluvia ácida y zonas de control de contaminación por dióxido de azufre en China. En un futuro cercano, las cargas críticas se aplicarán más ampliamente para guiar las estrategias de reducción de emisiones.

• http://www.mnp.nl/cce/
• http://nadp.slh.wisc.edu/committees/clad/