Temperatura, CO2 y pH del volcán de La Restinga

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La actividad del volcán de La Restinga, en la isla de El Hierro, se está manifestando en tres efectos fisicoquímicos muy patentes: el aumento de temperatura del mar (unos 11 grados más), la acidificación del agua (330 veces) y la emisión de masas de CO2 en cantidades más del cuádruple de lo normal.

Temperatura

Para medir la temperatura del mar sobre el cráter del volcán no es muy aconsejable ir allí con una barquita y meter un termómetro de mercurio en el agua; se corre el riesgo de ser lanzado a la estratosfera. Se recurre, entonces, a la termometría y termografía infrarrojas. Estas técnicas se basan en el hecho conocido de que todos los cuerpos cuya temperatura es superior al cero absoluto emiten radiación térmica. La cantidad de radiación emitida es proporcional a la temperatura y a la emisividad del material.

La emisividad es un factor entre 0 y 1 mide la capacidad relativa del material de emitir radiación térmica. Esta capacidad se compara con la del cuerpo negro, que es un sistema ideal cuya emisividad es 1, lo que quiere decir que emite toda la radiación térmica posible. Por comparar, la plata tiene una emisividad de en torno a 0,02, lo que significa que solo emite el 2% de la radiación que emitiría un cuerpo negro a la misma temperatura; el asfalto, sin embargo, se comporta casi como un cuerpo negro porque su emisividad alcanza el valor de 0,98.

Las medidas no son sencillas porque, en realidad, la emisividad de una sustancia depende de la temperatura. Y también depende de la longitud de onda de la radiación que emite la sustancia. Normalmente, la radiación que se mide en termografía es la infrarroja porque la mayor componente de la radiación térmica a temperaturas próximas a la ambiente es infrarroja. La Comisión Internacional de la Iluminación divide la región infrarroja del espectro electromagnético en varias zonas. La que llaman IR-C, que agrupa al IR medio y al IR de limagearga longitud de onda (estamos hablando de longitudes de onda de entre aproximadamente 3000 y 15000 nanómetros), es la más adecuada para medir temperaturas por infrarrojo. Esto es así  porque, según la ley de Wien, el máximo de emisión térmica de un cuerpo negro se produce a una longitud de onda, λmáx, que viene dada (en nanómetros) por la expresión::

λmáx /nm = 2,898 × 106 / T

Según esa fórmula, la radiación térmica más intensa de un cuerpo negro a 50 ºC sería la de longitud de onda de aproximadamente 9500 nm.

Para medir esta radiación se emplean unos detectores llamados matrices de plano focal (FPA, en sus siglas inglesas) cuya resolución actualmente alcanza los 640×512 píxeles (mucho más pobre, desde luego, que la de las cámaras ópticas). La matriz está formada de microbolómetros, que son dispositivos cuya resistencia eléctrica cambia con la temperatura; por lo tanto, midiendo su resistencia se sabe su temperatura. También se pueden emplear detectores de indio y antimonio (InSb), indio, galio y arsénico (InGaAs) o de telururo de mercurio y cadmio, que son más sensibles pero tienen un inconveniente: hay que enfriarlos mucho (a la temperatura del nitrógeno líquido) para que funcionen bien.

En todo esto se basa, por cierto, la medida de la temperatura del cuerpo humano mediante los termómetros IR de uso clínico, que ya vienen calibrados teniendo en cuenta nuestra propia emisividad (concretamente, la de la zona del oído).

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Al hacer medidas de temperatura por este método hay que tener en cuenta que al detector puede llegar no solo la radiación térmica emitida por la muestra (que es función de la temperatura, como hemos dicho), sino también la radiación que la muestra transmita o refleje. En el caso que nos ocupa, por ejemplo, hay que tratar de medir la temperatura del agua en condiciones tales que esta no refleje radiación infrarroja procedente de alguna fuente cercana, y que tampoco la transmita (lo que sucedería si existiese un emisor infrarrojo por debajo del agua).

Para medir la temperatura del agua del mar sobre el volcán de La Restinga, los científicos han tomado imágenes térmicas o termogramas como el que encabeza este artículo. El termograma es un “mapa” en el que, con falso color, se representa la temperatura de cada parte del material “fotografiado”. Previamente es necesario realizar una calibración. Además, hay que conocer la emisividad del material estudiado.

El Instituto Volcanológico de Canarias (INVOLCAN) midió el pasado 6 de noviembre, a partir de unas termografías tomadas por un helicóptero de la Guardia Civil, una temperatura superficial del agua de 35,3 ºC en la zona donde se observan las manifestaciones más obvias de la erupción submarina, siendo la temperatura del agua en otros lugares del Mar de las Calmas no afectados por la actividad eruptiva de 23,9 ºC. La diferencia pone de manifiesto la existencia de un considerable flujo de calor como consecuencia de la erupción submarina.

Por supuesto, también se toman las temperaturas de los piroclastos, como muestra la imagen sobre estas líneas.

CO2

Como hemos explicado en otro artículo de Triplenlace, una de las manifestaciones de la actividad volcánica es la liberación de gases que van a parar a la atmósfera, particularmente CO2, SO2, SH2, H2, He, CO, CH4, N2, O2… (además de vapor de agua, que es el más abundante). Estos gases están disueltos en el magma y, según conjeturan los vulcanólogos, proporcionan la mayor parte de la “fuerza motriz” de las erupciones. Por eso, el estudio y seguimiento de la composición química de los gases volcánicos es un instrumento muy útil para vigilar el fenómeno.

Burbujeo_volcan

Un volcán emite gases por varías vías. Algunas son muy vistosas, como los penachos que se elevan desde el cráter o las chimeneas y las fumarolas, así como el burbujeo de los volcanes subacuáticos o la elevación de grandes masas de agua como en la imagen sobre estas líneas, tomada en El Hierro días pasados. Otras son menos evidentes, pero no menos importantes.Todo el suelo de un edificio volcánico emite gases por difusión. La difusión consiste en el transporte de un fluido (por ejemplo, un gas) a través de un material estático (como el suelo) debido a una diferencia de concentración (gradiente). El fluido va desde regiones en las que está más concentrado a otras en las que lo está menos. El fenómeno se llama emisión difusiva.y viene gobernado por la primera ley de Fick de la difusión.

imageEn particular, los episodios volcánicos están relacionados con grandes flujos difusivos de CO2 debidos a la desgasificación del magma (constituido de silicatos fundidos en los que el CO2 es poco soluble). En El Hierro, la emisión difusiva de este gas está siendo medida continuamente por científicos del Instituto Tecnológico y de Energías Renovables (ITER), que han realizado miles de mediciones de este tipo en aquel edificio volcánico insular, habiendo obtenido días pasados un valor de casi 1.500 toneladas de CO2 emitido en la isla, lo supone 4,35 veces el valor promedio normal allí. El siguiente gráfico permite relacionar la emisión difusiva de CO2 (puntos rojos) con la sismicidad de El Hierro en las últimas semanas.

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El flujo difusivo de CO2 se puede medir por varios procedimientos. Uno es recoger el gas en una cámara invertida que se coloca abierta sobre el suelo y que contiene hidróxido de calcio sólido, que permite fijar el CO2 mediante esta reacción ácido-base:

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

Bastaría medir el aumento de peso del Ca(OH)2 (una vez desecado).

camara_acumulacion

Pero es más común y directo realizar las medidas espectroscópicamente dentro de una cámara de acumulación, que consiste en un recipiente que se coloca en el suelo para permitir la entrada del CO2. El gas se va bombeando hacia un detector que va midiendo su concentración continuamente. Como no se deja de bombear, la concentración medida es cada vez más alta. Un ordenador calcula la pendiente de la curva de aumento de concentración con el tiempo, la cual está relacionada con el flujo difusivo de CO2 desde el suelo.

camara_acumulacion_2

El detector que se emplea para medir la concentración del CO2 también está basado en la radiación infrarroja, pero de un modo que tiene poco que ver con la termografía. Lo que se hace es aprovechar la capacidad que tiene el CO2 (y muchísimas otras especies químicas) de absorber radiación infrarroja procedente de una fuente (una lámpara que emita luz infrarroja).

Atenuacion_radiacionSe hace llegar al gas la radiación procedente de la fuente, la cual digamos que tiene  una intensidad I0. Parte de la radiación será absorbida por el gas y parte será transmitida (es decir, pasará a su través). Un detector es capaz de medir cuánta se transmite (I) y, por tanto, cuánta se absorbe. Se observa que se transmite menos radiación de la que llega a la muestra; es decir, la radiación se atenúa. Cuanto más alta sea la concentración del gas, c, más absorberá y la radiación que sale de él estará más atenuada. La llamada ley de Beer relaciona la cantidad de radiación absorbida con la concentración. Es muy conveniente eliminar el vapor de agua que pueda acompañar al CO2 porque el agua absorbe fuertemente la radiación IR y, por lo tanto, interfiere en la medida. Por eso es necesario interponer un desecante en el sistema de bombeo. Por ejemplo, perclorato de magnesio.

imageTambién se puede medir el flujo difusivo de gases a través del agua (como lo ilustra la figura de la izquierda), que es algo que interesa en este caso porque el volcán de La Restinga está liberando grandes cantidades de gases en el mar. Estos pueden salir a la superficie por dos mecanismos básicos: por difusión a través de la interfase agua-aire y por burbujeo (desgasificación por convección o advección).

Estos métodos también permiten medir las concentraciones de otros muchos gases, como el SO2 y el SH2, aunque no de todos (por ejemplo, el H2, el O2 y el N2 no se pueden estudiar por IR).

imagePero todo lo dicho es para medir el flujo difusivo de gases. No obstante, también es fundamental medir los gases que salen directamente del volcán. Y como nadie va a un cráter activo a tomar medidas (bueno, habrá quien haya ido, pero no ha vuelto), se han inventado unas técnicas especiales que permiten medir remotamente las concentraciones de estos gases. Se puede hacer desde un satélite,o mediante la técnica llamada espectroscopía infrarroja de camino abierto, o por espectroscopía de correlación (COSPEC) o bien por espectroscopía de absorción óptica diferencial, también conocida como DOAS. Una variedad de esta, conocida por miniDOAS, junto con la COSPEC son las que han empleado los científicos del ITER para medir las concentraciones de SO2 en la atmósfera sobre el mar de Las Calmas. Helicópteros de la Guardia Civil han sobrevolado la zona portando equipos de miniDOAS, que básicamente miden la cantidad de radiación ultravioleta que absorbe el SO2, la cual es proporcional a su concentración. La radiación procedente del SO2 se recoge mediante telescopios y se transporta por fibra óptica hasta un detector para así medir la concentración del gas. image

Han llegado a medirse emisiones de más de 100 toneladas diarias de SO2, si bien posteriormente la cantidad de gas decayó hasta hacerse indetectable (el límite de detección de los métodos empleados es 2 toneladas diarias; es decir, menos de eso no se puede detectar). En general, parece que este volcán no emite mucho SO2 porque, al ser esta una sustancia ácida, parte de ella se está neutralizando con el agua de mar, que es ligeramente alcalina.

 

pH

No solo el SO2 es ácido; también lo es el CO2 (que es el gas más abundante en las erupciones después del H2O). De hecho, lo que más influye en el cambio de pH oceánico es la concentración de CO2 disuelto. Esto explica que las aguas que se encuentran por encima del volcán se estén acidificando extraordinariamente.

El agua del mar, en promedio, está formada por iones Cl (55,29%), Na+(30,75), SO42- (7,75%), Mg2+ (3,70%), Ca2+ (1,18%), K+ (1,14%), HCO3(0,41%), Br (0,19 %), H3BO3 (0,076%), Sr2+ (0,022%) y F (0,0037 %). Su pH medio es de aproximadamente 8,1 (antiguamente era más alto, pero el mar se está acidificando poco a poco debido a la producción excesiva de CO2 por el ser humano).

El pH del Mar de las Calmas, antes de la erupción, era de 7,97, es decir, ligeramente más ácido que la media oceánica del planeta (probablemente, por la producción de CO2 por el volcán “dormido”). Actualmente se están midiendo valores de pH de hasta 5,45 a cinco metros de profundidad en la zona de la erupción. Esto significa una concentración de protones de unas 330 veces la normal. (Estas medidas las ha hecho el buque oceanográfico Ramón Margalef con hacen con sondas que llevan en su extremo un electrodo medidor de pH.)

La acidificación podría explicarse por la formación de los ácidos correspondientes a partir de CO2 y SO2:

CO2 + 2H2O is in equilibrium with HCO3 + H3O+

SO2 + 2H2O is in equilibrium with HSO3 + H3O+

También por la presencia de SH2:

SH2 + H2O is in equilibrium with HS + H3O+

y probablemente también por la de HCl y HF, que, aunque en pequeñas cantidades, tienden a generarse en las erupciones volcánicas.

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JMG

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