Tendencias decenales en la deposición atmosférica en una estación de gran altitud

Los flujos atmosféricos son un componente importante del ciclo global de muchos elementos. Estos flujos suelen ser causados por el transporte a larga distancia de elementos desde fuentes de emisión distantes hacia áreas receptoras, donde son absorbidos por precipitación y depositados en tierra o océano. En cada entorno, los elementos depositados atmosféricamente pueden tener un efecto importante en el ciclo biogeoquímico en los ecosistemas existentes.

El transporte atmosférico de largo alcance tiene lugar en la atmósfera libre sobre la capa límite de mezcla, que generalmente tiene una profundidad de 1.000-1.500 m. La química de la atmósfera libre puede considerarse así como una mejor reflexión de la composición de la atmósfera global que la capa límite situada por debajo de ella. Altas montañas sobresalen sobre la capa límite, interceptando el flujo global de elementos. Por ello, las estaciones de gran altitud son uno de los mejores entornos para monitorizar el transporte a larga distancia (es decir, regional y global) de elementos químicos. Además, las altas montañas suelen estar libres de impactos locales directos que podrían ocultar señales de fondo globales.

En la estación del lago Redon hemos estado monitorizando la deposición de oligoelementos desde 2004. Aquí analizamos la serie temporal de datos para determinar la variación en la deposición durante la última década y examinar en detalle la influencia del clima y los cambios en las emisiones antropogénicas en las tendencias detectadas.

La deposición de elementos traza no mostró una tendencia sencilla. Más bien, existía evidencia estadística de varios factores subyacentes que regulaban la variabilidad de la serie temporal registrada: ciclos estacionales, tendencias, efectos de la cantidad de precipitación, exportación de polvo controlada por el clima y cambios en las emisiones antropogénicas.

**Serie temporal de deposición** para los elementos analizados y la cantidad de precipitación (ppt, en mm) registrada durante periodos de muestreo de cuatro semanas desde 2004 hasta 2013 en la estación del lago Redon. Observa las rupturas en los ejes Y de la mayoría de los grafos. Las series temporales de deposición fluctuaban mucho. Una de sus características era la ocurrencia de eventos extremos más o menos frecuentes. Ninguna de las series temporales de deposición mostró una tendencia monótona evidente. Solo al tener en cuenta otras fuentes subyacentes de variación se detectaron tendencias. Un análisis de regresión múltiple mostró que, en la mayoría de los casos, existía un ciclo estacional y un efecto de la cantidad de precipitación sobre la deposición. Cuando se eliminaron, se identificó una tendencia descendente significativa (aunque débil) para Al, Mn, Zn y Pb.

Sin embargo, identificamos tres modos principales de variación. Para ello, aplicamos un Análisis Factorial (FA) a nuestros datos. La AF es un método estadístico multivariante utilizado para describir la variabilidad entre variables observadas y correlacionadas en términos de un número potencialmente menor de variables no observadas llamadas factores, que no están correlacionadas entre sí. Los resultados de la FA fueron que los elementos analizados pueden representarse mediante tres factores. El primer factor (F1) incluía los elementos cortezales (Al, Fe, Ti, Mn) y Pb. El segundo factor (F2) incluía el volumen de precipitación, Ni, As y Cu (aunque este último con una carga débil). Finalmente, el tercer factor (F3) incluía Zn y dos elementos que también cargaban en el primer factor: Mn y Pb.

**Cambios en el valor de los tres factores extraídos por el Análisis Factorial a lo largo del tiempo.** Las líneas rojas muestran la serie suavizada (LOESS) usando dos proporciones de muestreo diferentes para los valores suavizados. Una proporción mayor (0,4 en este caso) produce una línea más suave que revela variaciones temporales más largas; una proporción menor (0,1) preserva variaciones más cortas como los ciclos estacionales mostrados aquí.

Cada factor mostró un patrón diferente de variación a lo largo del tiempo: F1 mostró una fluctuación aparentemente cíclica, con ciclos de aproximadamente 8 años. F2 mostró una tendencia ascendente constante. F3 mostró valores constantes hasta mediados de 2009 y luego una tendencia descendente, que fue más marcada al principio que en los últimos años. A partir de estos resultados concluimos que:

1) La deposición de elementos cortezales y Pb siguió la variación en NAO. Bajo una NAO positiva, las condiciones más secas en el norte de África pueden favorecer la incorporación de polvo a la atmósfera y, por tanto, aumentar el transporte de elementos asociados. Nuestros datos mostraron una fluctuación que podría ajustarse al ciclo de ~8 años descrito para NAO. La declaración respondió a la fluctuación de la NAO con un retraso de seis meses

2) La deposición de Ni, As y Cu siguió una tendencia al alza en la precipitación. El aumento de la precipitación a lo largo del tiempo fue causado por un mayor número de eventos en lugar de por eventos más abundantes. Una mayor frecuencia, en lugar de una mayor intensidad de eventos, puede llevar a un aumento de la extracción de estos elementos de la atmósfera por precipitación. Para reflejar el cambio en la precipitación, los flujos atmosféricos de los elementos de interés debían ser bastante constantes. De lo contrario, las variaciones marcadas en el suministro atmosférico (como las causadas por la NAO o por cambios en las tasas de emisión de contaminantes) anularían el efecto de la precipitación.

3) La deposición de Pb y Zn (y de Mn en menor medida) siguió a las emisiones urbanas e industriales en Europa y Norteamérica, con un retraso de aproximadamente 1-2 años. La característica más importante fue una pronunciada disminución de emisiones que comenzó hacia 2007-2008 (con la crisis financiera global y la posterior Gran Recesión), seguida por una disminución en las deposiciones a partir de 2009.

En conjunto, la deposición de fondo de oligoelementos parecía ser un proceso complejo, impulsado no por un único factor subyacente, sino por una combinación, incluyendo factores climáticos y antropogénicos.

**Los patrones de variación de F1 y el índice de oscilación del Atlántico Norte** (NAOI) fueron similares, pero el Factor 1 se retrasó casi seis meses (a), como muestra el gráfico de correlación cruzada (b) entre ambas series temporales. La correlación máxima se alcanza cuando el Factor 1 se desplaza hacia atrás respecto al NAOI con un retraso de ~6 meses. Por lo tanto, es posible que la deposición de elementos asociados a F1 estuviera influida por las condiciones meteorológicas (representadas por NAOI) de los meses anteriores. La exportación de polvo del norte de África al área mediterránea está influida por NAO, al igual que la deposición de elementos asociados al polvo, como P, por ejemplo: valores más altos de NAOI corresponden a condiciones meteorológicas más secas en el norte de África y la península ibérica meridional que aumentan la exportación de polvo, debido tanto a la baja humedad del suelo como a la escasa dispersión atmosférica en las zonas fuente. Para explicar el desacoplamiento de 6 meses entre NAOI y deposición, planteamos la hipótesis de que NAO en invierno y principios de primavera (la estación de lluvias en la zona) es crucial para determinar las condiciones de sequedad a lo largo del año, lo que a su vez determinará la producción de polvo: los inviernos más secos en las zonas fuente significan mayores exportaciones de polvo, que se registran principalmente como una mayor deposición estival en los Pirineos.

**Emisiones totales de Pb y Zn a la atmósfera procedentes de Francia y España durante 2004-2013**, expresadas como porcentaje refiriéndose a las emisiones de 2004. Los datos proceden del inventario de emisiones de la UE compilado dentro del Convenio de la UNECE sobre la Contaminación Atmosférica Transfronteriza de Largo Alcance (LRTAP), disponible aquí. La característica principal de la serie temporal es una disminución notable en el punto medio. Aunque la introducción de tecnologías más limpias ha desempeñado ciertamente un papel en la reducción de emisiones a largo plazo, la repentina caída de las emisiones se debe a la crisis financiera global de 2007-2008. La disminución correspondiente en la producción de acero, tanto un indicador de la actividad industrial como una de las mayores fuentes de Pb emitida en Europa, apoya esta idea.

Camarero, L., Bacardit, M., De Diego, A. & Arana, G. (2017) Tendencias decenales en la deposición atmosférica en una estación de gran altitud: efectos del clima y la contaminación en el flujo a largo alcance de metales y oligoelementos sobre el suroeste de Europa. Atmospheric Environment, 167, 542-552.

Descarga los datos aquí