Una nueva aplicación nuclear para predecir el futuro de los glaciares
Los glaciares llevan perdiendo masa desde la década de 1970 en todo el mundo. El calentamiento global ha desequilibrado la proporción de nieve fresca y hielo derretido. Estas grandes estructuras de hielo se están derritiendo, debilitando, colapsando y desapareciendo en todo el mundo a un ritmo nunca antes visto. Las consecuencias de estos fenómenos son inundaciones, sequías, suministros de agua amenazados y economías debilitadas. Todo esto contribuye a los efectos catastróficos del cambio climático. Hay tantas vidas que dependen de los glaciares para obtener agua potable, para la agricultura, la energía hidroeléctrica y el turismo que resulta fundamental prever y planificar con precisión lo que les ocurrirá en el futuro.
Suiza depende de sus glaciares, pero estos también se están derritiendo a gran velocidad. Según la Academia Suiza de Ciencias, los glaciares del país perdieron más del 6 % de su volumen en 2022, el peor año registrado. Los investigadores afirman que el glaciar Aletsch, el mayor de Suiza, podría perder la mitad de su volumen de hielo para finales de siglo.
Tradicionalmente, los glaciólogos rastrean el movimiento de los glaciares utilizando marcadores como varillas, fotografías y pinturas históricas, para comparar los cambios del hielo a lo largo del tiempo. Los marcadores indirectos, como los aviones estrellados, también pueden indicar el movimiento de los glaciares. Ahora existe otro método más preciso que puede ayudar a los glaciólogos a modelizar el comportamiento de los glaciares con mayor exactitud y, a su vez, predecir su futuro. Esto puede ayudar a los responsables de la toma de decisiones a planificar en función del retroceso o la desaparición total de los glaciares.
A unos 40 kilómetros al sur de la capital del país, en Berna, el Laboratorio de Spiez ha desarrollado una técnica nuclear basada en la huella registrada en el hielo durante los ensayos de armas nucleares realizados en los decenios de 1950 y 1960. Estos ensayos de armas nucleares generaron y emitieron a la atmósfera radionucleidos artificiales que quedaron depositados en las capas superficiales de los glaciares de todo el mundo. Dado que se conocen las fechas de estos ensayos de armas nucleares, a través de la identificación de las concentraciones máximas de estos radionucleidos, y de los patrones de dispersión de radionucleidos debidos al flujo de hielo, es posible definir la cronología de las capas de hielo.
“Hemos utilizado una técnica ya existente para la medición de radionucleidos en suelos y otros materiales sólidos y por primera vez la hemos aplicado al agua, el hielo y la nieve”, explica Stefan Röllin, investigador de la División de Química Nuclear del Laboratorio de Spiez.
Detección de radionucleídos en el hielo
En 2019 y 2020, expertos del Laboratorio de Spiez y miembros de las Fuerzas Armadas suizas escalaron los glaciares Aletsch y Gauli, en el escarpado terreno de los Alpes berneses, para recopilar datos isotópicos de incalculable valor sobre sus flujos de hielo. Extrajeron unas 200 muestras de hielo superficial de cada glaciar, cada una de las cuales pesaba hasta un kilogramo, cantidad suficiente para detectar los bajos niveles de radionucleidos. A continuación fundieron las muestras y aplicaron métodos radioquímicos para extraer y purificar isótopos del uranio y el plutonio, que analizaron con un instrumento de alta sensibilidad llamado espectrómetro de masas multicolector con plasma acoplado por inducción, o MC-ICP-MS.
Los investigadores también aplicaron otras técnicas nucleares que permiten detectar la presencia de radionucleidos de ensayos de armas nucleares en muestras ambientales, como la espectrometría gamma de alta resolución, que detectó la presencia de cesio, y el recuento por centelleo líquido, que detectó la presencia de tritio.
“Estos datos pueden utilizarse para perfeccionar y afinar los modelos de flujo glaciar, hacerse una mejor idea de la velocidad a la que se derrite el glaciar, predecir su futuro y calibrar los modelos de flujo de hielo para lograr una mayor precisión”, afirma el Sr. Röllin. Los métodos desarrollados por el Laboratorio de Spiez se validaron en función de muestras de referencia del OIEA de agua del mar de Irlanda para garantizar su precisión. Los científicos utilizan muestras de referencia para comprobar que sus métodos de ensayo arrojan resultados exactos. El OIEA pone estas muestras a disposición de laboratorios de todo el mundo.
“Los ensayos que realizamos con el material de referencia del OIEA nos permitieron confirmar nuestra capacidad para analizar concentraciones increíblemente bajas de radionucleidos en el agua — una millonésima de millonésima de millonésima de gramo por kilogramo —, algo bastante difícil de conseguir”, afirma el Sr. Röllin.
El Laboratorio de Spiez presentó sus investigaciones en la Conferencia Internacional sobre Radiactividad Ambiental (ENVIRA 2021), celebrada en Grecia en 2021, y en el Congreso Internacional de Metrología de Radionucleidos – Técnicas de Medición de la Radiactividad de Baja Actividad (ICRM-LLRMT), celebrado en Italia en 2022.
El Laboratorio de Spiez es centro colaborador del OIEA desde 2016 y, en 2020, se renovó su designación hasta 2025, con el fin de apoyar las actividades programáticas del OIEA. Como centro colaborador del OIEA, imparte formación a becarios y acoge cursos de capacitación y a visitantes científicos. También participa en misiones de expertos a los Estados Miembros del OIEA para promover la aplicación práctica de esta técnica en otros lugares donde los glaciares son importantes para lograr una política medioambiental y una economía sostenibles.
“El Laboratorio de Spiez es un centro de excelencia que cuenta con un historial de extraordinaria competencia analítica y con amplia experiencia en muestreo y mediciones sobre el terreno de todo tipo de contaminantes, en particular radionucleidos”, declara Iolanda Osvath, Jefa del Laboratorio de Radiometría del OIEA. “Proporciona un enorme apoyo a la capacitación y el desarrollo metodológico de la red de Laboratorios Analíticos para la Medición de la Radiactividad Ambiental (ALMERA) del OIEA. Sus actividades de investigación y desarrollo abordan una amplia gama de problemas ambientales con enfoques innovadores, como demuestra su novedoso trabajo sobre los glaciares” [1].
Espectrometría de Masas de Plasma (ICP-MS)
La espectrometría masas por plasma acoplado inductivamente ICPMS es altamente sensible y capaz de determinar de forma cuantitativa casi todos los elementos presentes en la tabla periódica que tengan un potencial de ionización menor que el potencial de ionización del argón a concentraciones muy bajas (nanogramo/litro o parte por trillón, ppt). Se basa en el acoplamiento de un método para generar iones (plasma acoplado inductivamente) y un método para separar y detectar los iones (espectrómetro de masas).
La muestra, en forma líquida, es transportada por medio de una bomba peristáltica hasta el sistema nebulizador donde es transformada en aerosol gracias a la acción de gas argón. Dicho aerosol es conducido a la zona de ionización que consiste en un plasma generado al someter un flujo de gas argón a la acción de un campo magnético oscilante inducido por una corriente de alta frecuencia. En el interior del plasma se pueden llegar a alcanzar temperaturas de hasta 8000 K. En estas condiciones, los átomos presentes en la muestra son ionizados. Los iones pasan al interior del filtro cuadrupolar a través de una interfase de vacío creciente, allí son separados según su relación carga/masa. Cada una de las masas sintonizadas llegan al detector donde se evalúa su abundancia en la muestra.
Espectrómetro de masas multicolector con plasma acoplado por inducción, o MC-ICP-MS
Campos de Aplicación
• Medio ambiente: Calidad de aguas potables, caracterización de residuos tóxicos, contaminación de aguas, control de contaminación atmosférica, caracterización de suelos, especiación de contaminantes.
• Energía: Análisis de combustibles sólidos y líquidos, análisis elemental de productos de combustión, control de empobrecimiento/enriquecimiento isotópico, control de impurezas en combustibles nucleares.
• Química: Caracterización de materias primas, control de calidad de productos terminados, química fina, pureza de productos de alto valor añadido.
• Geología: Medidas cuantitativas y semicuatitativas, análisis de lantánidos y actinidios, mapas de distribución superficial, relaciones isotópicas, caracterización de rocas, minerales y sedimentos.
• Electrónica: Pureza de materiales semiconductores, defectos en cerámicas, dopantes en superconductores, trazas y ultratrazas en reactivos, control de calidad en materiales para dopado, RoHS/WEEE para Pb, Cd, Cr y Hg.
• Biomedicina: Estudios con trazadores isotópicos, especiación bioinorgánica, trazas y ultratrazas en tejidos y fluidos biológicos.
• Arte y Arqueometría: Caracterización por determinaciones isotópicas, análisis inorgánico de pigmentos, bases y materias primas, análisis de bronces, metales y aleaciones, caracterización de cerámicas por análisis de ultratrazas, autentificación de piezas de arte.
• Ciencia y tecnología de alimentos: Control de materias primas, contaminación y control de toxicidad, migración elemental desde envases, control de calidad de productos manufacturados.
El ICP-MS tiene también la posibilidad de realizar determinaciones semicuantitativas de elementos de los cuales no se dispone de patrón con un error inferior al 15% [2].
[1]https://www.iaea.org/es/bulletin/deshielo-masivo-una-nueva-aplicacion-nuclear-para-predecir-el-futuro-de-los-glaciare[2]https://www.ubu.es/parque-cientifico-tecnologico/servicios-cientifico-tecnicos. Espectrometría de Masas de Plasma (ICP-MS) | Universidad de Burgos (ubu.es)
