AIRE DE CUEVAS ENRIQUECIDO EN DIÓXIDO DE CARBONO
Autora: JULIA M. JAMES
Traducido de: James, J.M. 2003. Carbon dioxide-enriched cave air. En: Gunn, J. (ed.), Encyclopedia of caves and karst sciences, Routledge, USA, 183-184
El dióxido de carbono (CO2) es un gas incoloro, inodoro y con sabor ácido. La mayoría de las cuevas tienen aire enriquecido en CO2 aunque en la mayoría de los casos está en una proporción sólo ligeramente superior a la media a la que se encuentra en la atmósfera, que suele ser una concentración de 0,04% en volumen. El CO2 en disolución acuosa es un componente importante tanto para la disolución y precipitación de espeleotemas como para la disolución de las calizas. Además, un elevado porcentaje de CO2, en el aire de las cuevas puede ser un indicador de contaminación en la cavidad o de su entorno. Por ello es importante comprender cómo se produce y distribuye este gas en las cavidades.
Para identificar los orígenes del CO2 y su distribución y movimiento tanto espacial como temporal dentro de las cavidades, es necesario realizar estudios experimentales. Identificar los orígenes del CO2 requiere la medida de los niveles de CO2 y O2, así como medir la humedad, la temperatura y la presión. El análisis de la traza de gases como el sulfuro de hidrógeno y el metano pueden dar información adicional sobre los orígenes del CO2. Los primeros métodos para el análisis de CO2 en cuevas son revisados en James (1997). Para el estudio de los niveles de CO2 en cavidades no turísticas, se recomienda el empleo de analizadores como el Drägger y el Gastec, pues son instrumentos versátiles, robustos y portátiles que pueden medir además el porcentaje de O2 y otros gases. Los métodos modernos para medir la calidad del aire se describen en el epígrafe “Tourist Caves: Air Quality”. Smith (1996) enumera métodos sencillos para el espeleólogo.
Existen tres formas de crearse aire enriquecido por CO2 (James, 1977):
Tipo I: Adición de CO2 al aire de la cueva en dilución con otros componentes
Al precipitar calcita a partir del agua de la cueva, se libera CO2 de la disolución hacia la atmósfera de la cueva. En general, la cantidad producida de esta forma es baja y el descenso de oxígeno asociado es modesto. Por lo tanto, la atmósfera en cuevas con formaciones no es peligrosa. Por ejemplo, en la cueva de Tommy Grahams, Nullbar Plain, Australia, existe una sala entre sifones con un porcentaje de CO2 del 4% en volumen. El origen del CO2 es por desgasificación del agua carbonatada, de ahí un descenso del 0,8% del O2 en volumen, apenas apreciable. Por el contrario, la cueva Hanimec, Eslovaquia, algunas veces presenta un nivel de CO2 del 36% en volumen, pero debido principalmente a emisiones volcánicas, llegando el descenso del O2 al 17,5% en volumen.
Tipo II: Sustitución del O2 por CO2
Este tipo de enriquecimiento con dióxido de carbono se debe a la respiración de la fauna y flora de las cavidades. Según el cociente de respiración, esto implica que por cada molécula respirada de O2 se reemplaza por una de CO2. Pero este cociente depende del organismo que realice la respiración y puede llegar a ser inferior al 0,7%. Este tipo de enriquecimiento puede ocurrir dentro de la cavidad o en el suelo existente encima de la misma; en última instancia, el CO2 entra en la atmósfera de la cueva por la diferencia de presión, siendo muy difícil de distinguir entre una y otra fuente.
Tipo III: Descenso de O2 en el aire de la cueva sin aumento equivalente de CO2
Hay muchos mecanismos que producen este tipo de enriquecimiento, incluyendo la adición de nitrógeno, metano, o sulfuro de hidrógeno a la fracción residual o el desplazamiento del O2 por procesos que no se deben a respiración. La siguiente tabla presenta cuevas con CO2 del Tipo III y las posibles causas de atmósfera de Tipo III (James and Dyson, 1981).
Aire enriquecido con dióxido de carbono: Cuevas con CO2 del Tipo III y las posibles causas de atmósfera de Tipo III | |
Cueva | Causa |
Cueva Tlamaya, Méjico | Fango anóxico (natural) |
Cueva Odyssey, Australia | Bacteria de hierro (natural) |
Cueva Lower Cane, EE.UU. | Oxidación de sulfuros (natural) |
Kacna Jama, Eslovenia | Residuos procedentes de una papelera |
Cueva de Sinkhole Plain, Kentucky, EE.UU. | Basura doméstica e industrial |
Halbert (1982) recomendó el empleo del triángulo de Gibbs para clasificar el enriquecimiento en CO2 en el aire de la cueva. El triángulo puede ser construido para aire seco o, si la temperatura y la humedad son medidas, modificado para aire húmedo. Es particularmente útil cuando el enriquecimiento en CO2 del aire de la cueva procede de distintos orígenes. Por ejemplo, tanto el origen natural como antropogénico de los procesos Tipo III, están frecuentemente asociados a microorganismos que al mismo tiempo generan CO2 del Tipo II. El estudio de los isótopos estables del carbono pueden ayudar a la identificación del origen del CO2 y han sido usados con gran éxito por Klimchouk y Jablokova (1989), quienes distinguieron la producción de CO2 por microorganismos aeróbicos (Tipo II) y por microorganismos anaeróbicos a partir de metano (Tipo III).
La concentración de CO2 desciende en la atmósfera de las cuevas por tres mecanismos importantes:
Difusión del gas en aire con una menor concentración de CO2;
Convección de aire que lo transporta desde su fuente;
Por disolución en agua. El dióxido de carbono puede disolverse en aguas de goteo o condensación hasta saturar el agua. En cuevas con corrientes de agua, inundaciones o períodos de lluvias continuas pueden “limpiar” el CO2.
Si la concentración de CO2 es suficientemente alta, puede ser peligroso para los espeleólogos. Las consecuencias psicológicas del efecto combinado del aumento de CO2 con el descenso de O2 han sido comentadas por James, Pavel y Rogers (1975). Es prioritario para un espeleólogo estar capacitado para detectar la presencia de niveles peligrosos de CO2. Existe un número importante de publicaciones disponibles para los espeleólogos y asistirles en conocer en qué cuevas, en qué zonas las mismas, y bajo qué condiciones los niveles de riesgo del CO2 pueden existir (Renault, 1972 & 1979; James & Dyson, 1981; Ek & Gewelt, 1985). Es oportuno desmitificar que este gas más-pesado-que-el-aire se hunde hasta el suelo y charcos de la cueva. La mezcla de CO2 y aire ocurre espontáneamente por difusión. La separación del CO2 de una mezcla de gases vía proceso inverso no es posible en las condiciones de una cueva. Como regla general, el mayor enriquecimiento de CO2 se dará cerca de su origen.
Referencias:
Ek, C. & Gewelt, M. 1985. Carbon dioxide in cave atmospheres. New results in Belgium and comparison with some other countries. Earth Surface Processes and Landforms, 10:173–87
Halbert, E.J.M. 1982. Evaluation of carbon dioxide and oxygen data in cave atmospheres using the Gibbs triangle and the cave air index. Helictite, 20(2):60–68
James, J.M. 1977. Carbon dioxide in the cave atmosphere. Transactions of the British Cave Research Association, 4:417–29
James, J.M. & Dyson H.J. 1981. Carbon dioxide in caves. Caving International, 13:54–59
James, J.M., Pavey, A.J. & Rogers, A.F. 1975. Foul air and the resulting hazards to cavers. Transactions of the British Cave Research Association, 2:79–88
Klimchouk, A.B. & Jablokova, N. 1989. Genesis of carbon dioxide of air in Ukrainian caves. Proceedings of the 10th International Congress of Speleology, vol. 3, edited by T.Hazslinszky & K. Bolner-Takacs, Budapest: Hungarian Speleological Society
Renault, P. 1972. Le gaz des cavernes. 2443:12–18
Renault, P. 1979. Mesures periodiques de la pCO2 dans les grottes françaises du cours de ces dix dernieres annees. Actes du Symposium International sur l’erosion karstique, Nimes: Union International de Speleologie
Smith G.K. 1996. Naked flame tests for caves’ foul air and human tolerance. Helictite, 34(2):39–47
Traducido por: Alfonso Gutiérrez y Bruno Martínez
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