Variabilidad de emisiones de carbono de biomasa quemada en

VARIABILIDAD EN LAS EMISIONES DE CARBONO A PARTIR DE
BIOMASA QUEMADA
José Germán FLORES GARNICA y David Arturo MORENO GONZALEZ
Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias. Campo
Experimental Centro–Altos de Jalisco. Parque Los Colomos s/n, Col.
Providencia, 44660, Guadalajara, Jalisco, México. Fax 01 (33) 3641 3598 ext.
122. [email protected]
Palabras clave: combustibles, contaminación, humo, ignición, incendios
forestales.
RESUMEN
El calentamiento global es muy discutido por carecer de información precisa
sobre sus causas y efectos. Aunque, existen instituciones dedicadas a
cuantificar el potencial de contaminantes en la atmósfera, y saben que los
incendios forestales liberan gran cantidad de humo, no se ha investigado su
calidad y cantidad por ecosistema. Por ello, el presente estudio forma parte de
un proyecto con el objetivo de evaluar y comparar las emisiones de carbono en
diferentes tipos de biomasa y analizar la composición química del aire. Se
realizaron quemas controladas en Chihuahua y Nuevo León, sobre coberturas
de pino, pino encino, pastizal y matorral. Un día antes se caracterizaba el sitio y
se muestreaba la hojarasca. A temprana hora del mero día se utilizaba una
antorcha de goteo en franjas contra el viento y la pendiente, para luego
registrar el comportamiento del fuego, tomar las muestras de humo con
avioneta a diferente altura y calcular las emisiones con los sensores láser. Un
día después se ponderaba el material quemado. La velocidad de propagación
del fuego fue lenta, de 0.4 a 4.83 m/min, con vientos de 5.5 km/hr en promedio
y humedad relativa del 48 al 93 %. Estas condiciones formaron mucho humo
compuesto en su mayoría por el vapor de agua que liberó el combustible. La
llama varió de 0.47 a 3.55 m. tanto en altura como en longitud. La emisión
media de CO fue 11, 46 y 69, de CO2 181, 405 y 889 y de CH4 0.5, 3.4 y 5.1
ppm en pasto, pino y pino – pasto, respectivamente. El factor de emisión entre
la cantidad de cada uno de los tres gases y la diferente biomasa quemada
presentó una similitud, aunque el rango fue amplio en pasto, 314 g/kg de CO2.
Falta mucho por hacer, sin embargo se anticipa que los resultados serán
importantes para la prevención, control y combate de incendios.
INTRODUCCIÓN
Frecuentemente se habla sobre el calentamiento global de la tierra. No
obstante, las estimaciones o conclusiones que se hacen aún requieren de ser
soportadas con mayor información (Flannigan and Wagner, 1991). Por ejemplo,
se demandan estudios que ayuden a ubicar y evaluar las causas y efectos de
los diferentes aspectos que propician dicho fenómeno. Tal es el caso de los
incendios forestales, los cuales se consideran uno de los principales agentes
que aportan gran cantidad de contaminantes a la atmósfera. La biomasa que
se quema en estas igniciones es una importante fuente de muchos gases tipo
1
invernadero y rastros de otros foto-químicamente reactivos. Aunque se ha
conducido un considerable número de investigaciones para entender la emisión
de estos componentes y las partículas tipo aerosol que son liberadas de las
quemas de biomasa en terrenos agrícolas, existen datos limitados de la
extensión espacial y temporal de los incendios de en las áreas forestales y su
asociación con la emisión de los gases (Guenther et al., 1995). Al respecto, en
México no se cuenta con este tipo de información, o ha sido poco
documentada. Además, debe considerarse la gran cantidad de condiciones de
vegetación que se presentan en todo el territorio nacional, lo cual hace mas
complicado acceder a esta pesquisa.
Con el propósito de generar información sobre la cantidad y calidad de
gases que son liberados a la atmósfera por los incendios forestales,
actualmente se lleva a cabo un proyecto internacional donde se pretende
estimar variabilidad temporal de CO2, CO y CH4. Este propósito se desarrolla
con el Servicio Forestal de Estados Unidos (Rocky Mountain Research Station
Fire Sciences Lab), el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales,
Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), y la Comisión Nacional Forestal (CONAFOR),
financiado en parte por la NASA a través del Programa de Carbón en
Norteamérica. La duración de este estudio, en territorio mexicano, es del 2005
al 2007, y se ha dividido en tres grandes regiones: 1) Norte - 2005; 2) Centro 2006, y 3) Sur - 2007. La importancia del proyecto radica en conocer la
cantidad de carbono emitido a la atmósfera a consecuencia de la quema de
diferentes tipos de biomasa. Desde luego, esto contribuye al calentamiento
global, a cambios en los microclimas y en los indicadores de contaminación a
nivel continental. No obstante, la información es esencial para cuantificar el
potencial de carbono terrestre en Norteamérica y los ciclos bioquímicos de
estos gases. Por lo tanto, se propone desarrollar un inventario de emisiones de
CO2, CO, y CH4 de biomasa quemada en Estados Unidos, Canadá y México,
con una resolución de 1 x 1 km.
La aspiración interdisciplinaria será completada desarrollando varios
enfoques: a) Estimaciones diarias, semanales, temporales e interanuales de
emisiones de CO, CO2, y CH4 a partir de incendios de biomasa en
Norteamérica, con una resolución de 1 x 1 km; b) Experimentos de quema de
biomasa en México para medir las emisiones de CO, CO2, y CH4 de 30
igniciones experimentales y 10 incendios naturales en ecosistemas semiáridos,
templados y tropicales; c) Comparaciones entre las emisiones de CO, CO2, y
CH4 de diferentes tipos de biomasa quemada con las manifestaciones de la
combustión; d) Elaborar mapas de carga de combustible para México, y e)
Cuantificar la influencia de grandes incendios en la composición química
atmosférica, verificando los rangos de emisión de grandes incendios. El
INIFAP, como contraparte mexicana en este designio, se hace cargo de
evaluar las cargas de combustibles y el comportamiento del fuego bajo
diferentes condiciones ambientales. En este documento se presentan algunos
de los aspectos más relevantes del proyecto, así como algunos resultados
importantes.
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MATERIALES Y MÉTODOS
Durante el año 2005, el INIFAP realizo una serie de quemas controladas, con el
propósito de evaluar la cantidad y calidad de humo generado. Estas quemas se
llevaron a cabo bajo diferentes condiciones de vegetación, considerando que
cada una de estas propicia diferencias en las emisiones de gases. Las
combustiones se realizaron en los estados de Chihuahua y Nuevo León, en
diferentes coberturas de vegetación: pino, encino, pino-encino, pastizal y
matorral (Fig. 1). Los experimentos fueron realizados en el mes de abril y
durante 3 días para cada sitio. El primer día se dedicó a caracterizar la
vegetación y muestrear combustible, en el segundo se llevó a cabo la quema
controlada y se registraron la velocidad de propagación del fuego así como la
altura de las llamas, el tercer y último plazo se volvieron a muestrear para
definir la cantidad del material quemado en los sitios de consumo.
Figura 1. Desarrollo de una quema controlada en retroceso sobre un área de
pastizal, donde el fuego avanza en contra del viento.
Las quemas vigiladas se hicieron en parcelas con una superficie
aproximada de 2 hectáreas. El método de ignición utilizado fue antorcha de
goteo. La técnica de encendido utilizada fue de franjas en retroceso, quemando
en contra de viento y pendiente, específicamente teniendo como prescripción la
reducción de material combustible. Los eventos se efectuaron a temprana hora
del día, con humedad relativa alta. Se tomaron las medidas de seguridad
pertinentes, como son brecha cortafuego y establecimiento de un plan de
contingencia.
Con el fin de lograr la estimación en la variabilidad de las emisiones de
carbono de biomasa quemada, se realizaron muestreos en campo, tanto de la
emisión como de los combustibles. El muestreo de combustibles, tales como
humus, hojarasca, vegetación herbácea, arbustos, pequeñas coníferas y
material leñoso tirado se llevó acabo de acuerdo con tecnologías específicas
(Flores and Omi, 2003). También se hicieron evaluaciones y muestreos de las
emisiones de CO2, CO y CH4. Esto fue posible por el equipo del Servicio
3
Forestal de Estados Unidos, para lo cual se instalaron en los sitios torres con
sensores láser (Fig. 2). Para el monitoreo desde el aire en las quemas
controladas y en algunos incendios forestales, presentados en las mismas
fechas, se realizaron los muestreos con un avión Cessna.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La liberación de gases a la atmósfera, debido a la quema de biomasa
forestal, depende de varios factores, aunque también estriba en que tan rápido
se quemó este combustible. Es por esto que se evaluó el comportamiento del
fuego en cada una de las combustiones, donde se determinó tanto la velocidad
de propagación del fuego, como la altura de la llama. Esta evolución del
comportamiento de la lumbre es uno de los primeros resultados en este
proyecto. Lo cual es importante para conocer que tan rápido se arde cierta
área, bajo una condición de vegetación específica, así como para conocer cual
es su nivel potencial de intensidad de calor a través la altura. Se observó que el
promedio de las velocidades de propagación (VP) observadas durante las
quemas fueron bajas (Tabla I), debido a que se contó con humedades relativas
(HR) mayores del 48 % y velocidades del viento (VV) menores de 5.5 km/hr.
Figura 2. Torre donde se ubicaron los sensores láser en la evaluación de la
calidad de humo, y vuelo del avión Cessna que se usó para capturar
muestras de humo a diferentes alturas.
Tabla I. Velocidad de propagación del fuego bajo diferentes
condiciones ambientales.
TIPO DE BIOMASA
PINO – ENCINO
MATORRAL
PINO-A
PASTIZAL-A
PINO-B
PASTIZAL-B
HUMEDAD
RELATIVA (%)
66
67
57
93
48
72
VELOCIDAD DEL
VIENTO (km/hr)
2.5
5.2
4
1.7
3.6
5.2
VELOCIDAD DEL
FUEGO (m/min)
2.25
4.83
0.79
0.40
3.81
3.74
4
Como se observa, la velocidad de propagación del fuego fue más bien
lenta. Lo cual se explica por el alto porcentaje de humedad relativa en el
ambiente, que, a su vez, determina la humedad de los combustibles. De
acuerdo a esto se tiene que la combustión de la biomasa en estas condiciones
generara una alta cantidad de humo. El cual es formado en gran parte por el
vapor liberado de los combustibles. Cuando la humedad relativa fue menor,
como en el caso de PINO B (48%), se observo un aumento en la velocidad de
propagación. Es importante señalar que las quemas se hicieron de tipo
retroceso, es decir en contra de la dirección del viento. Por lo que a pesar de
que la velocidad del viento fue una de las mayores, la velocidad de
propagación en la condición PINO-B fue alta. Por el contrario, la condición de
matorral fue el caso extremo, ya que a pesar de tener alta humedad relativa y
velocidad del viento en contra de 5.2 km/hr, se alcanzo una rapidez en
propagación de 4.83 m/min.
En un incendio forestal, además de la velocidad de propagación, es
importante estimar la altura de llama, la cual es un indicador indirecto de la
intensidad de calor, ya que a mayor altura mayor calor. Otra característica de la
flama es su longitud, la cual se ve influenciada por la pendiente y el viento. El
promedio de las alturas de llama (ALL) y longitudes de llama (LLL) observadas
(Tabla II) vario de los 0.47 a 3.55 m. dependiendo el tipo de vegetación donde
se realizo la quema (continuidad de combustible).
Tabla II. Longitud (LLL) y altura de llama (ALL)
promedios en los tipos de vegetación.
TIPO DE VEGETACIÓN
PINO-ENCINO
LLL (m)
2.44
ALL (m)
2.04
MATORRAL
3.55
3.13
PINO-A
0.74
0.47
PASTIZAL-A
0.93
0.55
PINO-B
3.06
2.41
PASTIZAL-B
2.97
2.56
Finalmente se han hecho algunas evaluaciones de los componentes de
emisión generados por las quemas controladas. La tabla III muestra las
cantidades de CO, CO2 y CH4 que resultaron en tres condiciones de biomasa.
En cuanto a CO la condición donde se combina el pino y pasto es donde se
generó una mayor cantidad (media = 69.38 ppm), mientras que el pasto por si
solo produjo en promedio 11.0 ppm. Referente a CO2 se tienen el mismo orden
entre pino-pasto y pasto, lo mismo que para el caso de CH4. La condición de
pino solo resulto en cantidades más o menos intermedias entre las condiciones
de pino-pasto y pasto.
De las observaciones de campo se tiene que, cuando hay cambios de
dirección de viento y existe un aumento no muy significativo en la VV (de 2 a 3
km/hr), la VP aumenta produciendo alturas de llama de 3 a 5 m. Esto ayuda a
desecar el follaje del estrato arbóreo.
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Tabla III. Estadísticos sobre emisión de tres gases al quemar biomasa en tres
condiciones de vegetación.
PINO
PINO - PASTO
PASTO
MEDIA
RANGO
n
MEDIA
RANGO
n
MEDIA
RANGO
n
CO2
405.46
77.13 - 860.74
9
888.9
312.36 - 2110.37
6
181.12
4.79 - 301.14
4
COMPONENTE
DE EMISIÓN
(ppm)
CO
46.35
4.87 - 102.28
9
69.38
34.89 - 147.21
6
11.00
1.21 -20.51
4
CH4
FACTOR DE
EMISIÓN
(g/kg)
3.42
0.27 - 7.21
9
5.11
3.09 - 9.85
6
0.52
0.18 - 0.90
4
FECO2
1614.68
1469.38 - 1733.64
9
1649.88
1605.79 - 1709.83
6
1622.49
1396.32 - 1710.37
4
FECO
106.33
55.55 - 173.24
9
92.29
64.37 - 114.04
6
105.04
49.62 - 224.05
4
FECH4
4.60
2.18 - 7.56
9
4.32
2.31 - 5.77
6
6.14
1.26 - 19.60
4
El factor de emisión es una relación entre la cantidad de contaminante
emitido a la atmósfera y la cantidad de biomasa quemada (Préndez et al.,
2004). En este caso los valores obtenidos por cada uno de los gases, en
relación a las tres condiciones de vegetación, fueron muy similares. No
obstante, el rango de variación es más amplio para la condición de pasto, 314
g/kg.
CONCLUSIONES
Las cifras que se muestran son similares a los resultados generados en
otros proyectos. La perspectiva de contar con información sobre la cantidad y
calidad de gases que puede liberar cierto ecosistema forestal, ayudara a
estimar la aportación de estos en el fenómeno de calentamiento global (Wotton
and Flannigan, 1993). Actualmente no se tiene mucha información al respecto,
específicamente a nivel de nacional, por lo que este estudio contribuye a
generar datos muy valiosos. Además se continuará este proyecto enfocado a
ecosistemas forestales de las regiones tropicales. Una vez que se cuente con
esta información se podrá estimar, con base al tamaño de la superficie
quemada y al tipo de biomasa carbonizada, la cantidad y proporción de gases
(CO, CO2 y CH4) que se desprenden a la atmósfera (Sabillón and Cremades,
2001). De esta forma podrán definirse más adecuadamente las estrategias de
captura de carbono. Así mismo, esta información podrá apoyar la declaración
de situaciones críticas, en las que se obliguen a actividades de contingencia.
Como serían la suspensión de actividades de ciertas fabricas, o la reducción
temporal de los vehículos que circulan. Es claro que para esto deberá
integrarse un análisis de propagación de la nube de humo, donde se
establezca potencialmente (Ward et al., 1991): a) velocidad de propagación; b)
dirección de propagación; c) forma de la nube, y d) grosor de la nube.
La información referida al comportamiento del fuego puede indicar si se
quema o no el total de los combustibles disponibles, lo cual definirá la cantidad
de gases a librarse. Si se tiene una velocidad de propagación rápida, se
esperaría que no se consuman todos los inflamables. Afectándose solamente
los combustibles superficiales y los de pequeñas dimensiones, principalmente
hojarascas y pastos. Por otra parte, si el incendio es lento es muy probable que
se lleguen a quemar combustibles gruesos, mayores a 7.5 de diámetro (ramas
6
o troncos). Esto propiciaría una combustión más prolongada, que podría influir
no solo en la cantidad, sino en la calidad de los gases liberados.
La tendencia de este tipo de estudios es hacer evaluaciones en la mayor
parte de condiciones ambientales que se definen en la diversidad de
ecosistemas forestales del país. Lo cual resulta un trabajo muy amplio para una
sola institución. Por lo que se recomienda trabajar de forma interinstitucional.
AGRADECIMIENTOS
Infinita gratitud a la NASA por el financiamiento proporcionado a través del
Programa de Carbón en Norteamérica.
REFERENCIAS
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Canada. Canadian Journal of Foprest Research 21: 66 – 72.
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