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Hay una gran cantidad de desechos plásticos que contaminan nuestros océanos, pero no sabemos dónde están. Marric Stephens investiga lo que los científicos están haciendo para encontrar el plástico perdido
El problema con la contaminación plástica marina es que simplemente no hay suficiente. Obviamente no queremos que haya más, es solo que las cantidades de plástico que sabemos que flotan en los océanos del mundo son muy inferiores a la cantidad que los científicos dicen que debería estar allí.
Tome la concentración de plástico oceánico más conocida del mundo, el Gran Parche de Basura del Pacífico. Esta es una acumulación de escombros flotantes rodeados por el giro del Pacífico Norte (un sistema de corrientes oceánicas que circula entre América del Norte y Asia).
Se estima que contiene unas asombrosas 80,000 toneladas, o 1.8 trillones de piezas, de plástico. Giros similares tienen colecciones más pequeñas en el Pacífico Sur, el Océano Índico y el Atlántico Norte y Sur también. Con todo, la masa total de plástico conocido que flota en o cerca de la superficie de nuestros océanos supera las 250,000 toneladas (figura 1). Pero eso no es suficiente.
Desde que comenzamos a lanzar plástico al mar en la década de 1950, la cantidad emitida anualmente ha aumentado a algo así como 10 millones de toneladas. La mayor parte del material que ingresa a los océanos hoy en día es menos denso que el agua, lo que significa que si sobrevive por más de unos pocos años, deberíamos esperar encontrar decenas de millones de toneladas de plástico flotando en la superficie.
Eso es un orden de magnitud más de lo que realmente vemos, entonces, ¿a dónde se fue todo?
El Gran Parche de Basura del Pacífico
En el Gran Parche de Basura del Pacífico, muchas piezas son viejas y los artículos fabricados recientemente están mal representados. Los objetos flotantes generalmente tardan varios años en llegar desde una costa o río donde ingresan al mar, hasta uno de los giros subtropicales donde permanecen a largo plazo. La mayoría de las piezas nunca terminan ese viaje (o al menos, aún no lo han hecho), pero aún se desconoce dónde terminan y cómo llegan allí.
“No falta como falta la materia oscura; es un tipo diferente de falta «, dice Erik van Sebille, oceanógrafo y científico climático de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos.“Nadie sabe cuánto hay en el fondo marino versus cuánto hay en las playas versus cuánto es ingerido por los animales versus cuánto ya está degradado por las bacterias. Y ese es el rompecabezas.
Dondequiera que encontremos contaminación plástica en el medio ambiente, también vemos su efecto en la vida silvestre, desde tortugas enredadas en redes de pesca desechadas, hasta aves marinas hambrientas con el estómago lleno de tapas de botellas y otros detritos indigestos.
Para cuantificar cuán generalizados son estos efectos, un paso esencial si queremos mitigarlos, necesitamos una imagen mucho mejor de cómo se distribuye el plástico marino y cómo se mueve en los años y décadas posteriores a su lanzamiento. Esto también es necesario si queremos tener éxito en la limpieza de los océanos, ya que los esfuerzos de recolección que se centran exclusivamente en el 1% más destacado del material podrían tener poco efecto.
Modelando el viaje
Muchos oceanógrafos piensan que la mejor manera de producir un mapa detallado de plástico marino es a través del modelado. El proyecto Seguimiento de Plástico en Nuestros Mares ( Tracking of Plastic in Our Seas ,TOPIOS) – financiado por el Consejo Europeo de Investigación y dirigido por van Sebille, es un ejemplo de tal esfuerzo.
Actualmente, el modelo TOPIOS integra las mareas, las corrientes oceánicas y el viento para predecir los caminos tomados por los objetos que flotan en la superficie. Cuando el plástico se hunde en el océano, se retira del modelo y ya no se rastrea. En el transcurso de su programa de cinco años, que comenzó en Abril de 2017, los investigadores de TOPIOS esperan ampliar el modelo mediante la construcción de una versión integral de alta resolución que capture todos los procesos relevantes en las tres dimensiones. Cuando se complete, la simulación tendrá en cuenta no solo las influencias oceanográficas obvias, sino también consideraciones más sutiles.
Uno de esos factores es el papel que juegan los microbios marinos. Cuanto más tiempo permanezca un trozo de plástico en el océano, más organismos vivos se acumularán. Este proceso de «bioincrustación» aumenta gradualmente la densidad general del objeto al actuar éste como una percha de la cual se cuelgan los microbios, hasta que finalmente todo se hunde en las profundidades.
Pero diferentes microbios pueblan diferentes partes del océano, y no todos afectan al plástico flotante por igual. La diferencia entre un objeto que alcanza un giro subtropical u otro que se deposita en el fondo del mar a mil kilómetros de distancia podría reducirse a qué especies se establecieron en su superficie.
Otro parámetro importante que varía de un lugar a otro es qué tan brillante es la luz del Sol. Expuestos a la luz ultravioleta durante el tiempo suficiente, el plástico se oxida y finalmente se vuelve frágil y se rompe en fragmentos. Las partículas microplásticas resultantes pueden dispersarse por toda la columna de agua, donde entran en un régimen de transporte completamente diferente.
Sin embargo, incluso con un modelo tan detallado, el equipo de TOPIOS necesitará algunos datos empíricos propios para alimentar el sistema. El objetivo final es impulsar el modelo con un algoritmo de inferencia bayesiano, utilizando un conjunto de observaciones de plástico para entrenarlo y otro conjunto para validarlo.
Buscando desde el espacio
Desafortunadamente, esas observaciones no son fáciles de obtener. Por un lado, el gran tamaño de los océanos hace que tomar medidas representativas sea difícil y costoso.
Otro problema es que la distribución del plástico es heterogénea incluso a pequeña escala: las muestras tomadas, separadas por un kilómetro de distancia pueden diferir en la concentración de plástico en un orden de magnitud, dice van Sebille. «Es un poco como un astrónomo que apunta su telescopio al cielo 100 veces y luego tiene que decir cómo es la estructura del universo».
Para algunos, los satélites proporcionan la solución obvia a este problema, ya que solo desde el espacio se puede ver el panorama general. Sin embargo, no hay satélites actualmente en órbita dedicados a la tarea de observar el plástico marino, ni tampoco ninguno en la mesa de dibujo. La tecnología y las técnicas necesarias para la detección remota de plástico aún se encuentran en la etapa de prueba de concepto.
Una persona que estudia el problema es Paolo Corradi , ingeniero de sistemas de la Agencia Espacial Europea (ESA), con sede en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial en los Países Bajos. Junto con una gran colaboración internacional, Corradi prevé cómo las mediciones basadas en el espacio encajarían en un sistema integrado de observación de desechos marinos (IMDOS) que también incluye técnicas aerotransportadas y mediciones in situ (Front. Mar. Sci.10.3389 / fmars.2019.00447).
Entre los métodos de teledetección considerados, el menos estudiado para la detección de plástico marino es probablemente el radar. A primera vista, esta técnica tiene mucho que ver, ya que el radar se puede usar día y noche, ya sea que el cielo esté despejado o nublado.
Los sistemas de radar basados en satélites también pueden explotar un efecto por el cual el movimiento del transceptor a lo largo de su trayectoria orbital imita una antena estática mucho más grande. El tamaño de esta «apertura sintética» es igual a la distancia que recorre el satélite en el intervalo entre la emisión de un pulso y la detección de su eco.
El tamaño de la apertura determina la resolución espacial del radar, lo que permite que los sistemas basados en satélites alcancen resoluciones del orden de un metro, lo suficientemente fino como para detectar piezas individuales grandes o acumulaciones densas de escombros siempre que sean lo suficientemente reflectantes.
Sin embargo,no se sabe si el radar de apertura sintética (SAR) funcionará para el plástico, ya que la señal de un material con una constante dieléctrica tan baja podría verse inundada por la retrodispersión de las olas oceánicas. «Esta es una pregunta que sigue zumbando en mi cabeza y no me deja dormir algunas noches», dice Armando Marino, de la Universidad de Stirling, Reino Unido, donde un próximo proyecto probará el método utilizando un radar terrestre.
Donde los sistemas de radar satelital podrían ayudar más es en la localización de agregaciones plásticas indirectamente. Una variación de la técnica SAR utiliza interferometría para medir la forma en que el agua se mueve en la superficie del océano.
Este método compara la fase de las señales de radar medidas en diferentes puntos para recuperar información sobre la altura y la velocidad de las olas, así como características de mayor escala como las corrientes de superficie. Como los objetos flotantes tienden a concentrarse en los límites entre masas de agua que se mueven de manera diferente, dicho radar basado en satélites podría determinar dónde es probable que se acumule el plástico, proporcionando información clave para los modelos de transporte.
Y eso no es todo lo que las mediciones de olas podrían revelar. En las imágenes SAR de los giros oceánicos, Marino y sus colegas han notado áreas de textura de la superficie del mar inusualmente suave, que atribuyeron a la presencia de tensoactivos.
Como el petróleo vertido en aguas turbulentas, los tensoactivos amortiguan las olas en la superficie, disminuyendo la intensidad de la señal del radar. Sabiendo que tales moléculas son producidas por la actividad microbiana, y que el plástico marino es colonizado rápidamente por microbios, los investigadores proponen que cuando tales parches tranquilos en el océano sigan el patrón de las características de circulación oceánica, podrían indicar la presencia de altas concentraciones de contaminación microplástica.
Otra prometedora técnica de detección activa es el lidar. Los telémetros láser, que determinan la distancia midiendo el tiempo de viaje de un pulso láser, ya son comunes en los satélites de observación de la Tierra, donde miden las nubes y otras partículas atmosféricas, la velocidad del viento y el espesor de los casquetes polares.
Todavía no se han lanzado sensores para estudiar explícitamente el plástico marino, pero algunos investigadores han utilizado un sistema lidar diseñado para aerosoles atmosféricos para buscar plancton y otras partículas suspendidas (2013 Geophys. Res. Lett.40 4355).
Aunque el instrumento reutilizado ofrecía solo una resolución vertical gruesa debajo de la superficie del agua, era lo suficientemente sensible como para detectar partículas que flotan en los 20 m más o menos de profundidad del océano.
Dado que se cree que la concentración de plástico cae exponencialmente a más de 5 m por debajo de la superficie, un instrumento optimizado adecuadamente podría ser una herramienta eficaz para medir la cantidad de fragmentos de microplásticos suspendidos en la columna de agua.
Corradi sugiere que un día las técnicas lidar podrían incluso discriminar entre el plástico y otras partículas mediante la detección de procesos inelásticos como la fluorescencia o la dispersión Raman. Advierte, sin embargo, que la señal de este último sería tan débil que los instrumentos actuales tendrían dificultades para detectarla desde la órbita.
Brillando una luz sobre plástico
En la búsqueda de identificar el plástico del océano, las técnicas que se han investigado más a fondo hasta ahora son los métodos pasivos de detección remota óptica que miden la luz solar reflejada. Como todo material, el plástico imprime un perfil espectral característico en la luz que se dispersa desde su superficie. Los centros de reciclaje de vanguardia ya usan este efecto, identificando diferentes tipos de plástico en función de cuán brillantes aparezcan a ciertas frecuencias en la parte infrarroja del espectro.
Lauren Biermann, una científica de observación de la Tierra en el Laboratorio Marino de Plymouth(PML) en el Reino Unido, demostró recientemente una aplicación orbital de una técnica similar. Junto con colegas del PML y la Universidad del Egeo en Mitilene, Grecia, Biermann utilizó imágenes multiespectrales capturadas por la misión Sentinel-2 de la ESA, un sistema de satélites gemelos que mide la vegetación y el uso de la tierra a alta resolución en 13 bandas espectrales desde una altitud media de 786 km (figura de la derecha).
Los sensores en estos satélites no tienen la resolución espectral necesaria para discriminar entre los diferentes tipos de plástico, como sucede en las plantas de reciclaje, e incluso si lo hicieran, la atmósfera que interviene enmascararía algunas de las características espectrales estrechas del material.
En cambio, Biermann ha desarrollado una forma de identificar el plástico en función de la reflectancia del material en tres bandas anchas que se pueden medir más fácilmente desde la órbita: una centrada en el extremo rojo lejano del espectro visible; una justo más allá del rango visible en el infrarrojo cercano (NIR); y una en la onda corta infrarroja (SWIR).
Mientras que el agua absorbe fuertemente a través de todas estas bandas, el plástico tiene un pico de reflectancia nítido en el NIR, lo que hace que los objetos de plástico flotantes se destaquen brillantemente contra la superficie del océano oscuro en las imágenes NIR.
Desafortunadamente, la fuerte absorción de agua en el infrarrojo también significa que el plástico se vuelve efectivamente invisible una vez que se sumerge incluso unos pocos milímetros por debajo de las olas. Por lo tanto, esta técnica pasiva solo puede detectar escombros flotando en la superficie y no puede acumular un inventario de contaminación plástica suspendida en la columna de agua.
Otro desafío es que las algas, la madera flotante e incluso la espuma marina tienen el mismo pico de reflectancia nítida en el NIR que exhibe el plástico, y, como el plástico flotante, todos tienden a reunirse a lo largo de los frentes oceánicos y en las playas. Entonces, para distinguir el plástico de otros desechos marinos, debe buscar marcadores espectrales menos obvios en otras partes del espectro electromagnético.
Con esto en mente, Biermann y sus colegas han utilizado imágenes satelitales para compilar un catálogo espectral de tipos de materiales. Las recientes floraciones bien documentadas de sargazo en el Caribe proporcionaron la piedra de toque espectral para la vegetación flotante, por ejemplo.
Mientras tanto, una inundación en Durban, Sudáfrica, arrojó masas de botellas y otros desechos al Océano Índico, revelando las propiedades espectrales de las agregaciones impuras de plástico. «Como soy sudafricano, me puse en contacto con personas que conocía y les pedí fotografías del puerto», dice Biermann. “Quería ver cuán seguro estaba de que esto era plástico y … ¡Dios mío! «Era como si un vertedero acabara de ser arrastrado al mar».
Cuando construyeron una biblioteca de firmas espectrales, el equipo lo usó para entrenar un algoritmo de aprendizaje automático, basado en la inferencia bayesiana, como el modelo TOPIOS, para reconocer automáticamente el plástico y otros materiales flotantes. Cuando se probó en otro conjunto de agregaciones cuyas composiciones se verificaron de forma independiente, el algoritmo identificó el plástico con una precisión del 86%.
Por prometedores que sean estos resultados, se lograron con instrumentos que no fueron diseñados con este propósito en mente. Biermann dice que los sensores utilizados en los satélites Sentinel-2 no son tan sensibles como a ella le gustaría, y carecen de bandas en longitudes de onda donde las mediciones adicionales serían útiles.
Quizás lo más importante es el hecho de que las cámaras de los satélites tienen una resolución espacial de 10 m en el mejor de los casos, lo que significa que los únicos elementos de plástico que pueden observar son aquellos que se han unido en balsas flotantes lo suficientemente grandes como para llenar una fracción significativa de 100 m2 píxel: específicamente, alrededor del 30% para botellas o bolsas de plástico, y el 50% para redes de pesca desechadas. (Según los estudios de la ESA, Corradi informa que una cobertura de píxeles del 1% es probablemente el límite teórico para sensores como los que lleva Sentinel-2.)
Sea cual sea la cifra exacta, está claro que las cámaras que actualmente están en órbita es poco probable que sean muy útiles cuando llega a colecciones de plástico más ampliamente distribuidas, como las acumuladas por los giros subtropicales. Biermann, por ejemplo, no ha podido usar su método en el Gran Parche de Basura del Pacífico porque el Sentinel-2 captura imágenes de la tierra y las aguas costeras solamente, lo que subraya cómo los satélites existentes no son adecuados para su propósito.
Más cerca de la tierra
Pero si la órbita baja de la Tierra es simplemente demasiado alta para que tales instrumentos detecten objetos plásticos individuales, ¿por qué no bajar los instrumentos, digamos, a 400 m? Esta es la altitud desde la cual la organización sin fines de lucro Ocean Cleanup sondeó el Gran Parche de Basura del Pacífico.
Extendiéndose desde la bodega de un avión de carga C-130, un generador de imágenes hiperespectrales adquirió imágenes en luz visible e infrarroja mientras se usaba un láser para construir perfiles LIDAR.La alta resolución espectral del sensor infrarrojo, junto con el camino más corto de la luz a través de la atmósfera, significaba que el equipo de Ocean Cleanup tenía más libertad para elegir qué bandas usar que Biermann con su técnica basada en satélites.
Además, con una altura de levantamiento de 400 m, cada píxel de la imagen era de alrededor de 1 m2. Usando dos características espectrales estrechas en el SWIR, descubrieron que el plástico flotante tenía que llenar solo alrededor del 5% de un píxel para ser detectable, lo que significa que los investigadores podrían detectar teóricamente artículos de plástico individuales de solo unos centímetros de diámetro.
Sin embargo, estar tan bajo no hace que el océano sea más transparente a la radiación infrarroja, por lo que la señal SWIR solo podría detectar escombros flotando en la superficie. Aquí es donde entró el lidar, pero esta vez no para buscar microplásticos suspendidos. En cambio, los investigadores lo usaron para medir hasta qué punto las agregaciones grandes, como las que se unen alrededor de las redes de pesca a la deriva, se extienden debajo de la superficie.
«Las redes fantasmas son como imanes para otros escombros, por lo que terminan siendo casi una masa flotante sólida de escombros», dice la miembro de la expedición Jen Aitken, de Teledyne Optech en los Estados Unidos. «Logramos encontrar algunas agregaciones de plástico donde el lidar pudo penetrar dos o tres metros, lo suficiente como para hacer un modelo aproximado de lo que parecía en 3D».
Sin embargo, es poco probable que se realicen observaciones detalladas como estas tan rutinariamente como las mediciones satelitales. Mientras que un satélite pasa por el mismo lugar cada pocos días, ya sea que decida descargar sus datos o no, cada inspección aérea remota del océano requiere un gran esfuerzo. Aitken describe que los vuelos de Ocean Cleanup, en aviones llenos de tanques de combustible adicionales, están dominados por el tiempo que toma viajar desde California hacia el Pacífico y de regreso. De hecho, una excursión que podría durar 10 horas o más, solo puede pasar un par de horas tomando datos.
Aitken sugiere que realizar los estudios con drones es una alternativa, pero como estos solo pasan una hora más o menos en el aire, aún tendrían que usar un barco grande y costoso como base de operaciones. Eso podría ser factible dado que los planes de Ocean Cleanup ya requieren que los barcos recojan la contaminación plástica recuperada. El concepto IMDOS mencionado anteriormente también los incluye en su combinación de técnicas. «Los satélites serán solo parte de la solución de monitoreo», dice Corradi. «Necesitas volar, necesitas drones, necesitas mediciones in situ y mediciones en bote».
Hasta que exista dicho programa, ¿qué conclusiones pueden sacar los investigadores de los datos disponibles actualmente? Diferentes modelos sugieren diferentes distribuciones. Al comienzo del proyecto TOPIOS, van Sebille y sus colegas propusieron que la razón por la que vemos tan poco plástico flotante es porque pasa poco tiempo en la superficie antes de fragmentarse y hundirse.
En ese caso, el material faltante se distribuye a lo largo de las profundidades y en todo el fondo del océano. Los investigadores con Ocean Cleanup, por otro lado, dicen que la edad de los fragmentos de plástico típicos encontrados en los giros subtropicales lo descarta (2019 Sci. Rep.9.12922). Si tienen razón, los desechos plásticos pasan años circulando entre las playas y las aguas costeras, y solo llegan al medio marino mucho después de su emisión.
Cualquiera que sea el modelo verdadero, existen implicaciones para los esfuerzos de mitigación y remediación. Si la mayoría del plástico ya se ha roto y se ha extendido a través de la columna de agua, podemos olvidarnos de recuperarlo.
En cambio, deberíamos concentrarnos en detener más emisiones en su fuente, al tiempo que investigamos el impacto de la contaminación plástica en los ecosistemas de aguas profundas. Sin embargo, si el plástico sobrevive durante años, la mayor parte de los microplásticos actuales provienen de objetos liberados hace décadas. En ese caso, los programas de remediación de hoy podrían prevenir daños en el futuro.
Fuente: Physics World.
Artículo original: The Search for the Missing Plastic. Marric Stephens. May 7, 2020.
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- Plastic in the deep sea: Virtually unaltered after a quarter of a century. GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel. June 11, 2020.
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- A Radar for Plastic: High-Resolution Map of 1 km Grids to Track Plastic Emissions in Seas. Tokyo University of Science. May 7, 2020.
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