Salud

El costo oculto de los incendios forestales

«Eso es interesante. No demasiado grueso», dijo Jim Crawford, un químico atmosférico que usaba un parche para el mareo detrás de la oreja. Era la tarde de finales de julio de 2019, y Crawford aceleraba hacia una columna de humo de incendios forestales visible desde la cabina de un antiguo avión de pasajeros que la NASA había convertido en un laboratorio aerotransportado. 35 científicos e ingenieros calibraron sus instrumentos en la cabina. El ambiente era tenso: ¿funcionarían sus herramientas, diseñadas principalmente para medir contaminantes urbanos, en un aire polvoriento? ¿Cómo reaccionaría el avión de 50 años en una columna de humo? El DC-8 se estremeció y saltó cuando entró en una columna de 12,000 pies que se disparó desde un incendio en las afueras de Missoula, Montana «, dijo Crawford a los pilotos. La turbulencia era sorprendentemente suave y quería volver.

Este fue solo el tercer vuelo en el segmento aéreo de FIREX-AQ, un ambicioso proyecto de tres años dirigido por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica y la NASA que intenta detectar la composición química exacta del humo producido por la combustión de biomasa y determinar , entre otras cosas, cuándo y por qué es más peligroso para la salud humana». Durante seis semanas, el DC-8 y un par de Twin Otters, equipados de manera similar con instrumentos de detección atmosférica, volaron a través de más de 100 columnas de humo diferentes de un burbuja, que se elevó de un pequeño incendio agrícola en Kansas a una nube en forma de hongo que se disparó 31,000 pies desde el incendio de Williams Flats en el estado de Washington, una quemadura que un científico comparó con una erupción volcánica. Nunca antes se había estudiado el humo en tal biomasa. Aunque los incendios representan hasta un tercio de todas las partículas en el At atmósfera, «hay muy pocos estudios que examinen el papel específico de los diversos componentes del humo en la enfermedad y la gravedad de la enfermedad cuando los humanos están expuestos», dijo un director de la Agencia de Protección Ambiental en 2018.

Sabemos que la exposición crónica a las partículas que se encuentran en todo el humo puede provocar enfermedades cardíacas y pulmonares, latidos cardíacos irregulares y asma agravada, entre otras cosas. Se estimó que causó 4,2 millones de muertes prematuras en todo el mundo en 2016 debido a la exposición a largo plazo a Se cree que el ozono, un gas que puede producirse por reacciones químicas cuando el humo entra en la atmósfera, es responsable de al menos un millón de muertes prematuras cada año. Lo que nos falta es una comprensión básica de cómo y cuándo estos y otros componentes tóxicos forman diferentes tipos de humo de biomasa. Actualmente, las autoridades de calidad del aire tratan las emisiones de toda la combustión de biomasa por igual, aunque este no es el caso. Al conocer estos procesos, el equipo de FIREX-AQ espera mejorar la precisión de los pronósticos de emisiones de incendios forestales, para que los entrenadores sepan mejor cuándo cancelar la práctica de fútbol, ​​los hospitales puedan anticipar una afluencia de personas inmunocomprometidas y los reguladores de la exposición al aire libre. Proteger a los trabajadores de la exposición peligrosa ata también podría ayudar a los administradores de tierras a iniciar quemas controladas que mitiguen la gravedad y los impactos en la salud de futuros incendios forestales.

Crawford revisó su tableta, desplazándose a través de actualizaciones en tiempo real sobre cientos de partículas y gases que estaban siendo muestreados. La última vez que voló el DC-8 fue para estudiar los contaminantes urbanos en Seúl, Corea del Sur. Incluso en los pueblos pequeños, dijo, los investigadores están viendo una contaminación mucho peor que la que él y su equipo presenciaron ese día. «¿Pero cómo se suman todos estos incendios?», preguntó. “¿Cuánto ozono producen los incendios? ¿Cómo se regula un fenómeno natural?” Carsten Warneke, otro investigador principal de FIREX-AQ, que trabaja en el Laboratorio de Investigación de Sistemas Terrestres de la NOAA en Boulder, Colorado, explica que los modelos de calidad del aire tratan el humo de los incendios forestales como un evento de smog cuando es un evento completamente diferente. actos problemáticos.

A unas 350 millas al sur, en la Base de la Guardia Nacional Aérea Gowen Field en Boise, Idaho, Warneke y otros 50 científicos analizaron patrones meteorológicos, combustibles, datos satelitales en tiempo real y actualizaciones de incendios en curso para determinar cuál de los incendios forestales del oeste cumplía con la mayoría de los criterios. para los objetivos de FIREX-AQ: «Hay muchos científicos, y todos quieren cosas ligeramente diferentes», dijo Amber Soja, investigadora asociada del Instituto Nacional Aeroespacial, quien fue responsable de informar a los 400 investigadores involucrados en FIREX- AQ sobre la actividad del fuego ese día.

Para la misión de hoy, el equipo había seleccionado el incendio de North Hills en Montana mientras el DC-8 rodaba hacia la pista para despegar. Tenía la columna de humo más espesa de los nueve fuegos bajo consideración. Cubriendo un área relativamente pequeña de 4,600 acres, el incendio fue completamente anodino, y eso lo hizo científicamente atractivo. Aunque los bomberos del Servicio Forestal de los EE. tiempos y lugares para capturar lo que había en el humo y cómo cambió a medida que se movía contra el viento e interactuaba con nuevas condiciones y entornos.

Después de volar a través de la nube por decimosexta vez en una hora, Crawford recibió un mensaje de Warneke en el mando de la misión que incluía una imagen satelital de una columna de humo que se disparaba a través de las nubes justo debajo del Monte Shasta, California, casi 800 millas al suroeste de Warneke dibujó un círculo alrededor de la nube y garabateado con tinta roja al lado: «¡VAYA AQUÍ AHORA!»

Un proyecto sin precedentes

FIREX-AQ, o Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality, nació en el Fire Lab de Montana, donde el químico investigador de la NOAA, Jim Roberts, formó parte del equipo que desarrolló una técnica para medir el nitrógeno atmosférico durante la crisis del ozono en los Estados Unidos. En la década de 1970 se interesó cada vez más en el estudio de los ácidos contenidos en el humo de los incendios forestales. En 2009, mientras quemaba ramas de pino ponderosa y otros combustibles característicos del oeste de los Estados Unidos, encontró un compuesto particularmente dañino llamado ácido isociánico. Los cigarrillos y los fuegos para cocinar pueden causar cataratas, artritis reumatoide y enfermedades del corazón. Poco después, Roberts estaba en su Boulder oficina, Colorado, cuando estalló el incendio forestal más destructivo en la historia del estado, quemó decenas de miles de acres y destruyó varios cientos de casas en las afueras de la ciudad.

Con curiosidad por saber si los resultados de su laboratorio se mantendrían en el mundo real, Roberts sacó un instrumento que mide los ácidos para probar el aire de Boulder. Encontró la mayor concentración de ácido isociánico jamás medida en la atmósfera. «No dormí durante dos noches», dice. «La comunidad que quema biomasa ni siquiera sabía que había ácido isociánico en el humo. ¿Qué más no sabíamos?»

En general, la calidad del aire en las ciudades de EE. UU. ha mejorado mucho desde que el Congreso aprobó la Ley de Aire Limpio en 1970. Pero cuando los incendios forestales arden cerca de áreas urbanas, el humo acaba con esos logros. En 2019, las ocho ciudades más contaminadas de Estados Unidos por ozono estaban todas en Occidente. Medido por PM 2.5, partículas finas de menos de 2.5 micrones que pueden alojarse en los pulmones humanos y entrar al torrente sanguíneo, 23 de las 25 ciudades principales estaban en el oeste o Alaska. Es casi seguro que esta tendencia continuará: el servicio forestal ahora espera que el área quemada anualmente se duplique para 2050.

El principal culpable de este problema es el cambio climático: el oeste se está volviendo más cálido y seco. En julio de 2019, el modelador climático Park Williams de la Universidad de Columbia publicó resultados en la revista Earth’s Future que muestran que el aumento de cinco veces en el área quemada de California entre 1972 y 2018 era muy probable. asociado con un aumento de 1,4 grados centígrados en las temperaturas en los días calurosos. El calentamiento antropogénico es el culpable, dice.

Las condiciones de los bosques también juegan un papel importante en la exacerbación de los incendios. Después de 100 años de supresión agresiva de incendios que eran esenciales para los ecosistemas occidentales, las densidades en muchos bosques ahora superan sus normas históricas. En algunas partes de las Sierras de California hay Por ejemplo, hay 1000 árboles por acre donde antes había entre 50 y 70. Mientras tanto, los humanos se están moviendo cada vez más hacia biomas adaptados al fuego. En la década de 1990, 30,8 millones de personas en los EE. UU. vivían junto a tierras que se quemaban regularmente o en ellas; 43,4 millones lo hacen dos décadas después. La convergencia mortal Una de esas tendencias fue evidente en el Camp Fire de 2018, un incendio que devastó la ciudad de Paradise, California, de 26 800 habitantes, quemó 18 804 edificios y mató al menos a 85 personas, la mayoría antes de que saliera el sol.

Alrededor del 4 por ciento de todo el mundo se quema cada año, y la creciente destructividad no es un problema exclusivo de los EE. UU. Al momento de escribir este artículo, los arbustos de fuego australianos que estallaron a fines de 2019 habían quemado más del doble del área de los incendios de California en 2018. y los incendios de 2018 en la Amazonía combinados en 2019. Aunque el área total que se quema anualmente se está reduciendo a medida que los sitios naturales se convierten en ranchos y tierras de cultivo, el cambio climático ahora está fomentando incendios en entornos donde no hay registros históricos de quemaduras violentas y amplificando incendios en sitios Dónde sucede esto El verano de 2018 vio grandes incendios sin precedentes en Irlanda del Norte, así como 7,4 millones de acres en el Ártico y el Subártico de Siberia. El investigador de incendios Stephen Pyne, profesor emérito de la Universidad Estatal de Arizona, ha llamado a esta era el Piroceno.

Los científicos de la NOAA no se dirigieron directamente al humo de los incendios forestales, simplemente se volvió imposible de ignorar. ver las huellas químicas de los incendios forestales que han dado forma a todos sus datos. «Nos habíamos centrado en la contaminación urbana a lo largo de los años, pero volábamos a través de estas áreas urbanas y veíamos todo este material de incendios forestales», dice Roberts. Creía que el humo y la calidad del aire merecían todo el peso del enfoque de investigación de la NOAA como hoy, las proyecciones observacionales En un artículo de 2008 en el Journal of Applied Remote Sensing, una comparación de cuatro modelos de emisión de incendios encontró que las estimaciones de las contribuciones mensuales al carbono de la atmósfera podrían diferir en un factor de 10. Un problema fue que los modelos de emisiones de incendios de América del Norte se basaron en datos recopilados de solo 39 eventos de incendios diferentes, una falta de datos considerando la variabilidad de los incendios.

Se despertó su interés, y Roberts y Warneke, socios de investigación de la NOAA, llamaron a su antiguo colaborador Bob Yokelson, de la Universidad de Montana, quien ha estado estudiando el humo de los incendios forestales durante casi 30 años. de la versión base de FIREX-AQ. Hasta hace 20 años, dice, el trabajo de campo sobre el humo de los incendios forestales lo realizaban solo él y algunos otros profesores universitarios, quienes alquilaron un Twin Otter, lo cargaron con instrumentos y trabajaron alrededor de los bordes de las columnas de humo. Estaban interesados ​​en los mismos aerosoles, partículas y gases observados por FIREX-AQ, pero sus mediciones eran mucho más toscas. Yokelson exageró la simplicidad del campo, pero los fondos necesarios para emprender un proyecto integral nunca se habían desplegado. Era demasiado caro y arriesgado.»Estábamos volando a ciegas hacia el futuro», dijo Yokelson.

Después de una serie de temporadas históricamente densas de niebla que marcaron el comienzo de la Era del Fuego, siguieron millones de dólares en fondos para importantes campañas de investigación.Además del DC-8, que podía volar a grandes alturas y largas distancias, el FIREX – El equipo de AQ equipó bases de aeronaves ágiles con instrumentos de muestreo de la calidad del aire para volar más bajo y más cerca de los pilares y las comunidades rurales envueltas en humo. Equiparon camiones detectores de humo terrestres de manera similar. En el avión, usaron diferentes longitudes de onda de láser para mapear una columna de humo tridimensionalmente en tiempo real; había un instrumento para medir el acetonitrilo, una sustancia química conocida como indicador de la combustión de la biomasa, mientras que otros sensores buscaban carbono negro y marrón, composiciones de aerosoles submicrométricas y una lista de longitud de onda larga de otros componentes. Esta variedad de herramientas incluiría partículas y medir gases. en tantas formas y tamaños como la tecnología más avanzada pueda detectar.

Al determinar con una resolución más fina qué hay en el humo y los procesos mediante los cuales se forman sus productos más desagradables, los pronosticadores de la calidad del aire podrían predecir mejor el impacto en la salud humana de las emisiones de incendios forestales en el manejo del fuego, particularmente cuando se trata de encender quemas prescritas. Estos incendios controlados de menor intensidad imitan a los naturales y se encienden para reducir la cantidad de combustible disponible para futuros incendios forestales. También son notoriamente difíciles de encender por razones sociales, ambientales y reglamentarias.La EPA controla estrictamente el humo de los incendios obligatorios, aunque ningún estudio de campo ha demostrado que las emisiones de las quemaduras de menor intensidad sean tan tóxicas como las de las llamas salvajes.

«Cuando se trata del humo en el cielo, me pagaré a mí mismo ahora o más tarde», dice Soja, lo que significa que si los administradores encienden los incendios en sus propios términos o dejan que la naturaleza decida cuándo arden los paisajes adaptados al fuego, los cielos estarán llenos de humo. Aún así, algunos tipos de humo pueden ser peores para la salud humana que otros. «Necesitamos comprender los factores de emisión para que la población local pueda tomar mejores decisiones».

La variabilidad de los COV

En el otoño de 2016, el equipo de FIREX-AQ fue al laboratorio de incendios de Montana para comenzar a quitar los recubrimientos de emisión.

El equipo recolectó pinos ponderosa de Montana, lilas de California, robles de Arizona y otros 18 grupos de especies que se quemaban regularmente en el oeste, secó y pesó las plantas, las extendió sobre alambre de gallinero bajo una enorme campana extractora y encendió dos fuegos con cada tipo de combustible: un fuego ardiente donde el humo que se elevaba era viscoso como la lava, y un fuego más caliente donde el humo se elevaba con el fuego a modo de saludo.

Lo que encontraron, sorprendentemente, fue que la temperatura del fuego afectó las emisiones mucho más que el tipo de instalación que se quemó: ciertos compuestos orgánicos volátiles (COV) se emitieron en quemaduras a baja temperatura, mientras que otros ocurrieron principalmente en quemaduras a alta temperatura. La temperatura del fuego podría usarse para predecir alrededor del 80 por ciento de esas emisiones, resultados publicados en Atmospheric Chemistry and Physics en 2018.

De algunas de estas quemaduras, los investigadores tomaron muestras de humo y las colocaron en una bolsa de teflón que se iluminó con luz ultravioleta para simular la luz del sol. Estaban interesados ​​en el PM 2.5 emitido por todos los incendios. La exposición a largo plazo puede ser fatal, incluso cuando los niveles están por debajo de los límites de la EPA. En 2017 y 2018, más de 10 millones de personas en el oeste estuvieron expuestas a niveles de PM 2.5 que excedieron los estándares de calidad del aire de la EPA. En 30 años, se proyecta que ese número se acerque a los 82 millones 2100 Se estima que la inhalación crónica del humo de los incendios forestales matará a 40,000 personas anualmente solo en los EE. UU.

Dentro de los sacos, la descarga inicial de PM 2.5 se disipó rápidamente y la concentración de partículas disminuyó, como se esperaba. Pero en algunos experimentos, ciertas sustancias químicas comenzaron a condensarse después de varias horas. Como gotas de mercurio que se contraen, otras partículas se asentaron en estas superficies en crecimiento hasta que los niveles de PM 2.5, que se habían desplomado unas horas antes, florecieron en una nueva forma. Warneke no estaba seguro de qué proceso explicaba la reforma de PM 2.5, pero pensó que tenía un punto de partida. Más comúnmente, aumentó en presencia de catecol, una molécula grande en un trozo de madera emitida por fuegos lentos.Lo más intrigante de este descubrimiento fue la idea de que podría ser posible reducir el PM Predecir las emisiones de 2,5 de un incendio de los satélites cuando relacionan la temperatura de un incendio con la producción de PM 2,5 ya mide la intensidad del incendio He y Matt Coggon, investigador de la NOAA, también descubrieron que el catecol puede desempeñar un papel clave en la formación de ozono asociada con los incendios forestales .

Función pulmonar del ozono tras exposición repetida. No es una emisión directa de los incendios forestales, sino que se crea cuando los óxidos de nitrógeno, los COV y la luz solar se mezclan en las proporciones adecuadas. Siempre hay COV en el humo, y la luz del sol es un aliado cercano de las llamas. Pero la producción de nitrógeno en los incendios forestales tiene matices. Los fuegos lentos liberan amoníaco, una forma no reactiva de nitrógeno, de las plantas. Las quemaduras calientes liberan óxido nitroso, que es volátil. «La parte difícil es que la química en una nube es bastante intensa», dice Coggon. «Se convierte en algo muy diferente de lo que se emitió originalmente en una hora, incluso en grandes incendios».

Las razones de estos cambios se conocen bien desde hace casi 20 años: durante los grandes incendios forestales, el óxido nítrico liberado por las llamas de las plantas es arrastrado por el humo y llevado a la troposfera superior por el calor del fuego. Los compuestos reaccionan con los radicales libres hasta que, después de una cascada de reacciones, el óxido nítrico se convierte en nitrato de peroxiacetilo (PAN), una molécula relativamente estable cuando se enfría lo suficiente. el nitrógeno está encerrado y el proceso de producción de ozono está esencialmente congelado.

Pero cuando el humo comienza a descender de regreso a temperaturas más cálidas en altitudes más bajas, el PAN se descompone y el óxido nítrico regresa. De repente, cientos o incluso miles de millas antes del incendio, el ozono puede formarse en cantidades tóxicas para los humanos. Explique por qué en Ciertas Los incendios forestales hacen que aumenten los niveles de ozono en el medio oeste o incluso en las ciudades del este a medida que las columnas que se originan en el oeste se desplazan hacia el este. Calidad superior cuando las emisiones de los incendios forestales azotaron la ciudad en un caluroso día de verano Estas condiciones dieron a Seattle la peor calidad del aire en varios lugares del mundo en 2018.

Lo que Coggon y Warneke querían saber es si hay otras moléculas emitidas por los incendios que juegan un papel similar al PAN, y durante sus estudios de laboratorio encontraron catecoles, los precursores de los nitroaromáticos que, curiosamente, se usan para tratar la tos. Al principio, no fue un hallazgo particularmente interesante, solo otra molécula entre los cientos de COV que habían identificado. Pero en los dos años posteriores al trabajo de laboratorio, Coggon desarrolló un modelo químico que sugería que los nitroaromáticos podrían desempeñar un papel clave en el ciclo de vida del nitrógeno y, por lo tanto, en la formación de ozono: «Cuando existían, había menos ozono». él dice

Después de observar lo que llamó cálculos generales basados ​​en las ejecuciones del modelo, Coggon conjeturó que los incendios forestales deberían producir cantidades significativas de nitroaromáticos Estas moléculas nunca se habían estudiado en este contexto antes de que Coggon desarrollara un dispositivo que analizaba la concentración de moléculas en el aire cada décima de segundo, un llamado espectrómetro de masas de reacción de transferencia de protones y lo suficientemente pequeño como para caber en un estante del DC-8 a algo notable durante el vuelo.

señales en el humo

¡Comenzamos ahora!”, dijo Crawford por el sistema de comunicaciones del avión cuando el DC-8 comenzó a temblar y sonar. Shasta Cuando el avión entró en la nube, la luz se volvió naranja y el olor a humo de leña llenó la cabina.

Coggon se sentó detrás del ala izquierda del avión, mirando una pantalla que mostraba datos del espectrómetro. El gráfico medía la composición molecular de cientos de COV diferentes, pero los ojos de Coggon estaban fijos en el catecol, que ahora estaba en niveles muy altos y estaba disminuyendo rápidamente. «¡Eso es incluso más material de lo que vimos hace dos días!», dijo. «No detecto ningún nitroaromático, solo sus compuestos precursores. Pero Coggon supuso adónde iba el catecol. De repente, estaba balanceándose sobre sus pies entre temblores turbulentos a Wyatt Brown, un estudiante graduado, aproximadamente a un tercio del camino hacia arriba en la cabina. Brown dejó correr un instrumento que podía ver lo que Coggon no podía: aerosoles submicrónicos como nitroaromáticos.

La reacción de Coggon fue demasiado colorida para publicarla. Aunque fue testigo de la confirmación en el mundo real de la química que había visto en los modelos, el tesoro de datos novedosos fue solo el comienzo de un proceso complicado. Posteriormente, Coggon estimó que se necesitarían dos años y más estudios para determinar si el nitrocatecol era un reservorio de nitrógeno que, como el PAN, bloqueaba temporalmente el elemento y retrasaba la producción de ozono, o si lo bloqueaba de forma permanente y detenía la formación de ozono, que tanto Las teorías tenían implicaciones potencialmente profundas para predecir la producción de ozono a partir del humo y, por lo tanto, el impacto del humo en los humanos.

A medida que avanzaba la campaña, tales misterios se volvieron más comunes: estaba el incendio de la casa que midieron accidentalmente mientras intentaban estudiar los incendios de biomasa en Kansas, un estudio de caso que sería particularmente útil dada la creciente regularidad con la que los incendios forestales queman la infraestructura humana. Hubo un incendio controlado de baja intensidad en los pinos de Florida, que produjo explosiones de ozono casi inmediatamente después de la ignición, en contraste con un incendio forestal de alta intensidad en Washington, que parecía no producir casi nada. Warneke sospechaba y esperaba que los datos lo confirmaran: que las fluctuaciones se debieron a que el incendio de Florida quemó combustibles ricos en nitrógeno en un día soleado y brillante con poco humo, mientras que en Washington, donde el humo alcanzó los 31,000 pies, las reacciones químicas causaron una formación secundaria. de PM 2.5 fue una molestia. En varios incendios observaron que el volumen de PM 2.5 caía antes de volver a aumentar, ¿observaron procesos en el laboratorio también cuando trabajaban en la naturaleza?

Después de que la nube del incendio Tucker se produjera durante una hora, el sol se hundió detrás del Océano Pacífico. Desde la ventanilla del jet, el fuego aún era visible en el suelo, una larga cinta naranja serpenteando a través de la negrura. El DC-8 se quedó sin combustible, los pilotos giraron hacia el este hacia Boise y Crawford finalmente salió de la cabina. «Como un solo evento de emisión, esto fue una gota en el océano», dijo, «pero los detalles que podemos extrapolar desde aquí serán realmente valiosos».

Pronto, los científicos pasarían a las tareas menos emocionantes de organizar los datos y crear documentos que pudieran ajustar y predecir herramientas enfocadas en la salud. En el horizonte lejano, estas herramientas podrían «idealmente relajar las regulaciones para que sea más fácil, más prescriptivo encender fuegos, ” explicó Sooya. Pero esa noche, bañados por el olor a humo, los científicos se dieron la mano e intercambiaron felicitaciones. Alguien bromeó diciendo que sería mejor que Warneke tuviera un baño de Gatorade listo para el equipo cuando aterricen.

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