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Influencia de la precipitacion sobre la concentracion del radon en el suelo: simulacion en laboratorio y comparacion con datos de campo.

RESUMEN: Este trabajo presenta los resultados mas relevantes de un conjunto de experimentos de laboratorio, que tienen por objetivo comprender mejor el efecto de la precipitacion sobre las emanaciones gaseosas de radon. Los resultados obtenidos en el laboratorio y las predicciones del modelo propuesto, concuerdan perfectamente con los datos de campo. Los resultados son de gran utilidad a la hora de filtrar la influencia de la lluvia sobre los datos de campo.

ABSTRACT: This paper presents the most relevant results of laboratory experiences and its comparison to field data. Their objective is to better understand the precipitation effect on the radon gas emanations. The results obtained in the laboratory and the predictions of the model suggested ate in completely concordance with field data. It is useful as a filter source for further data.

INTRODUCCION

La medida de la concentracion de algunos gases en el suelo tales como el Rn, C[O.sub.2], He, [H.sub.2]S, es de importancia en el monitoreo y vigilancia de los edificios volcanicos. Estos gases representan en cierta forma una senal geoquimica proveniente de las capas mas profundas del suelo y evidencian los cambios que se producen en los sistemas geologicos, tales como volcanes o fallas activas. Las anomalias presentadas en las concentraciones de algunos de estos gases, como el radon pueden actuar como precursores de un evento mayor (Loria et al., 1995; King, 1992; Monnin & Seidel, 1992). De aqui que la interpretacion de la medida de la concentracion de estos gases, deba estudiarse con mas atencion, considerando los efectos producidos por algunos parametros exteriores sobre el transporte de los mismos en el suelo. La concentracion se ve influenciada por la variabilidad de algunos factores externos tales como los parametros atmosfericos, entre los cuales podemos citar la temperatura (Mogro-Campero & Fleisher, 1977; Klusman & Jaacks, 1987; Rudakov, 1985), la presion atmosferica (Clements & Wilkening, 1974; Rudakov, 1985b; Pinault & Baubron, 1997), la velocidad del viento (Pearson & Jones, 1965 y 1966; Hinkle, 1994; Cotter, 1990), la precipitacion (Abbad et al., 1996; Talwani et al., 1980; Papastefanou et al., 1989; ). Sin embargo son la presion atmosferica y la precipitacion, los parametros que presentan una mayor influencia.

En zonas tropicales, como la nuestra, la variabilidad climatica es bien marcada, sin embargo la presion presenta una variacion casi despreciable, siendo su variacion maxima del orden de 4 milibares, la cual se presenta en terminos de algunas horas. Para que la variacion en la presion atmosferica represente una influencia significativa en la concentracion de radon o de otros gases en el suelo, es necesario que esta variacion se presente en un periodo de tiempo largo, del orden de dias. Clements & Wilkening (1974) encuentran que, variaciones del orden del 2% en la presion atmosferica, extendidas durante varios dias, producen anomalias importantes en la concentracion de radon.

Por otro, lado el efecto de la precipitacion en las emanaciones gaseosas es de especial interes, ya que las variaciones de esta son significativas y bien localizadas en el tiempo. Nuestro pais, por ejemplo, se caracteriza por presentar una estacion humeda o lluviosa bien marcada, la cual ocurre esencialmente en los ultimos siete meses del ano, por consiguiente el efecto de la precipitacion no es despreciable.

El objetivo de este trabajo es mostrar la influencia de la precipitacion sobre la emanacion del gas radon y al mismo tiempo, proponer un modelo que explique el efecto de este parametro sobre el transporte del gas en el suelo.

METODOLOGIA

Para estudiar el efecto de la precipitacion sobre la concentracion del gas radon en el suelo, se construyo en la Universidad de Montpellier II, un dispositivo que consiste en un recipiente cilindrico de PVC de 1 m de altura y 1 m de diametro, abierto en los dos extremos. Este se introdujo en un agujero en el suelo al aire libre en el campus de la universidad, de manera que la parte superior sobresaliera 5 cm sobre el nivel del suelo. Se lleno el recipiente con una mezcla de tierra y arena para lograr un medio permeable y homogeneo. Se introdujo pechblenda, la cual es una fuente natural de radon, a tres niveles de profundidad diferentes y contenida en pequenas bolsas plasticas permeables al radon, aproximadamente un numero de cinco por nivel. Lo anterior con el fin de crear un gradiente de concentracion importante en el sistema y amplificar la senal natural del suelo, tratando de conservar la uniformidad del mismo (Fig. 1).

[FIGURA 1 OMITIR]

Para realizar la medidas de la concentracion de radon se instalaron dos sondas Clipperton II (Monnin & Seidel, 1998) a profundidades diferentes. Estas sondas miden la concentracion cada 20 minutos. La lluvia es simulada por medio de 4 aspersores conectados a un tubo plastico de forma circular e instalado en la parte superior del recipiente. Dos tubos de PVC de un metro de largo perforados regularmente en las paredes fueron instalados verticalmente para medir eventualmente la humedad del suelo. Estos dos tubos identicos permanecieron cerrados durante el experimento, con el fin de no crear un camino preferencial para el gas que pudiese bajar la impedancia del sistema.

Con este dispositivo se realizaron dos experiencias consecutivas. Para la primera con el suelo inicialmente seco se dejo correr el agua durante 12 horas a un caudal de 1 litro por minuto repartido igualmente entre los cuatro aspersores. Al final de la aspersion, el suelo se encontraba completamente saturado en agua. Para iniciar la segunda experiencia (la cual es identica a la primera) se espero un mes, de tal manera que el suelo retomara sus condiciones iniciales. Durante todo este tiempo de espera la concentracion de radon se midio con el mismo intervalo de tiempo de 20 minutos.

RESULTADOS

Los resultados de las dos experiencias se muestran en la Figura 2. Las lineas verticales en la figura marcan el inicio y el final de la aspersion en cada experiencia. Los valores de concentracion mas elevados se presentan en la sonda 1 (sonda inferior del dispositivo), sin embargo las dos sondas presentan el mismo comportamiento. El comportamiento de ambas sondas en la segunda experiencia es igual que en la primera. La segunda experiencia comienza con un nivel de concentracion un poco mas alto en las dos sondas en comparacion con la primera experiencia, esto se debe a que se inicio con un suelo inicialmente semi-humedo, con el fin de estudiar el efecto de la diferencia en las condiciones iniciales.

[FIGURA 2 OMITIR]

En la Figura 2 se aprecia que la concentracion de radon disminuye en las dos sondas, inmediatamente despues del inicio de la aspersion, para luego sufrir un aumento, el cual es mas pronunciado en la sonda 1 (la inferior del dispositivo). La segunda experiencia muestra el mismo fenomeno en las dos sondas, demostrando asi que el comportamiento observado en el primer caso es reproducible.

DISCUSION DE UN MODELO Y COMPARACION DE LOS RESULTADOS CON DATOS DE CAMPO

En los dos casos de la figura 2 la concentracion de radon en las sondas disminuye al inicio de la aspersion y continua en ese estado algun tiempo despues de que la aspersion finaliza. Seguidamente la concentracion aumenta hasta alcanzar un maximo y luego vuelve a su estado inicial. Este comportamiento es interpretado de la manera siguiente: al principio hay dos fenomenos presentes, la disolucion rapida del radon en el agua de lluvia (Garcia-Vindas, 1999) y el transporte del radon no disuelto por el agua hacia las capas inferiores del suelo. En este ultimo caso el agua y el radon se comportan como dos ruidos no miscibles, de manera que el agua desplaza al radon de los poros del suelo. Este efecto es percibido en las dos sondas casi al mismo tiempo debido probablemente a la gran permeabilidad del medio. Al final de la aspersion el suelo se encuentra completamente saturado de agua y esta continua filtrandose hacia abajo por la accion de la gravedad, lo que hace que la concentracion de radon siga disminuyendo aun mas. La disminucion en la concentracion de radon se prolonga hasta que el flujo de agua que circula por los poros, debido a la gravedad, finaliza. Terminado este proceso la concentracion comienza a aumentar lentamente. Para explicar este ultimo fenomeno debemos hacer referencia a la ecuacion de transporte del radon en medio poroso. Esta se escribe en una dimension como:

(1) [delta]C / [delta]t = D / [epsilon] [[delta].sup.2] / [delta][z.sup.2] - v / [epsilon] [delta]C / [delta]z - [lambda]C + Q

Donde C representa la concentracion en Bq/[m.sup.3], D el coeficiente de difusion en [m.sup.2]/s, [epsilon] la porosidad, v la velocidad de Darcy en m/s, [lambda] la constante de desintegracion del radon en [s.sup.-1] y Q la tasa de produccion de radon en Bq/[m.sup.3] s. En nuestro caso la velocidad de Darcy es nula pues el sitio donde se encuentra el dispositivo esta situado sobre una plataforma calcarea maciza a menos de dos metros de profundidad, tipico del suelo mediterraneo, con lo que no hay contribucion de radon por conveccion, proveniente de las capas profundas. De tal manera que el transporte esta dado inicialmente por difusion solamente La solucion de esta ecuacion describe la evolucion temporal de la concentracion en cada punto del sistema y debido a la simetria de nuestro dispositivo de simulacion, la unica variacion espacial de la concentracion se da con la profundidad

Los coeficientes D y Q dependen fuerte mente de la tasa de humedad del medio (Fleisher & Mogro-Campero, 1978; Singh & Virk 1996; Fleisher, 1997). D puede variar, para un suelo seco, entre [10.sup.-8] m2/s hasta [10.sup.-5] [m.sup.2]/s y para un suelo humedo su valor puede caer por debajo de [10.sup.-9] [m.sup.2]/s que es el coeficiente de difusion de radon en el agua. La tasa de produccion Q viene dada como:

(2) Q = [E.sub.Rn][rho] 1-[epsilon] / [epsilon] [A.sub.Ra][lambda]

[E.sub.Rn] representa la tasa de emanacion de la roca, o sea, el cociente entre el numero de atomos de radon que escapan del grano hacia los poros y el numero total de atomos producidos por la roca. Esta cantidad es funcion de la tasa de humedad del medio; 13 es la densidad del suelo en kg/[m.sub.3], [A.sub.Ra] es la concentracion de radio en el suelo dada en Bq/kg.

La tasa de emanacion ([E.sub.Rn]) es mas grande cuando existe agua en los poros pues, el atomo de radon es capturado por esta debido a que su recorrido libre medio en el agua es muy pequeno (Tanner, 1980; Rama & Moore, 1984), mientras que si el fluido intersticial es gas, el atomo de radon producido en un grano tiene la probabilidad de alcanzar el grano vecino y ser capturado por este.

Volviendo al objeto de estudio, una vez que el flujo de agua cesa por completo en el interior del sistema de simulacion, el agua residual retenida en el suelo (liquida o vapor) aumenta la tasa de emanacion del suelo y disminuye el coeficiente de difusion, provocando un aumento local de la concentracion. Este aumento cesa despues que, naturalmente, la humedad del suelo disminuye de nuevo, para volver a su estado inicial. El coeficiente de difusion aumenta al mismo tiempo que la tasa de humedad disminuye y paralelamente la tasa de emanacion disminuye tambien. El radon llega a circular mas facilmente y no existe ya acumulacion local. Los niveles de concentracion alcanzan su valor inicial de equilibrio.

La primera experiencia se realizo con el suelo seco pero, de la Figura 2 se observa que al inicio de la segunda experiencia los niveles de concentracion, en las dos sondas, estaban por arriba de los niveles iniciales correspondientes a la primera experiencia. Esto significa que el grado de humedad del suelo es mas elevado al principio de la segunda experiencia que al principio de la primera. El efecto de esta diferencia en las condiciones iniciales del suelo se refleja en el comportamiento del radon. La disminucion de la concentracion, que se presenta al inicio de esta segunda experiencia, en las dos sondas, es menos intensa que la correspondiente a la primera. Sin embargo, cuando la concentracion aumenta, esta alcanza los mismos valores en cada sonda para las dos experiencias. Esta observacion se puede extrapolar concluyendo que cuando el suelo presenta un grado de humedad importante, la disminucion en la concentracion llegara a ser menos intensa aun hasta el limite de percibir solamente el aumento de la concentracion. Este fenomeno es debido a que el agua de la lluvia no puede circular con la misma facilidad que cuando el suelo esta seco o ligeramente humedo. En este caso el agua permanece en las capas superficiales del suelo formando una barrera para el radon y aumentando asi la concentracion en las capas inferiores debido a la acumulacion del radon.

La Figura 3 muestra un conjunto de mediciones de la concentracion de radon tomadas a lo largo de un ano. Estas mediciones, al igual que las mostradas en las figuras 4, 5 y 6 fueron realizadas en el campus de la Universidad de Costa Rica, especificamente en los jardines del Laboratorio de Fisica Nuclear, mediante sondas electronicas tipo Clipperton (Monnin & Seidel, 1998). De la figura 3 se aprecia que los valores de la concentracion en la segunda mitad del ano son superiores a los de la primera mitad. Este fenomeno esta asociado con la precipitacion presente en estos ultimos meses del ano. El aumento en la humedad del suelo debido a la precipitacion es la principal causa de las variaciones de la emanacion. Las figuras 4 y 5 muestran la evolucion de la concentracion del radon y de la precipitacion en varios periodos.

[FIGURAS 3-6 OMITIR]

Los datos de la figura 4 corresponden al inicio y mediados de la estacion lluviosa. El suelo se encuentra parcialmente humedo debido a las primeras lluvias. En esta figura se constata lo observado por nuestro experimento y el comportamiento del gas radon estan de acuerdo con nuestro modelo. A cada precipitacion se le asocia una disminucion en la concentracion del radon y luego un aumento significativo de esta, como lo predice el modelo.

La figura 5 muestra la evolucion de la concentracion de radon en periodo lluvioso. En este periodo el suelo se encuentra con una humedad importante debido a las constantes lluvias. El comportamiento del gas radon verifica la extrapolacion realizada a partir de nuestro modelo. La concentracion del gas aumenta bruscamente cuando se presenta una precipitacion. La disminucion inicial de la concentracion, presente cuando el suelo esta seco o parcialmente humedo, desaparece como lo predice el modelo.

Por ultimo, la figura 6 muestra la evolucion de la concentracion del radon y la precipitacion en epoca seca. En esta figura se observa claramente que las variaciones de la concentracion de radon en ausencia de lluvia son puramente estadisticas, ademas el comportamiento seguido por el radon a partir del 16 de febrero concuerda con los resultados de nuestro experimento y lo predicho por el modelo, cuando los niveles de humedad del suelo son bajos.

CONCLUSIONES

Como se muestra en la seccion anterior, tanto el experimento como el modelo propuesto coinciden con los datos de campo. Del modelo propuesto y de las experiencias realizadas podemos inferir que cuando tratamos con un suelo seco, como por ejemplo durante la estacion de verano en los paises temperados o la estacion seca en los paises tropicales, una lluvia fuerte podria provocar inicialmente una disminucion de la concentracion de radon en las capas superficiales del suelo debido a los fenomenos de disolucion y transporte del radon por el agua de lluvia. En ausencia de lluvia durante las horas o dias sucesivos, la humedad retenida por el suelo produce un aumento de la tasa de emanacion del radon y en consecuencia de la concentracion de este en el suelo. Seguido de esto el radon debera alcanzar los niveles normales de concentracion, conforme la humedad retenida desaparece gradualmente.

Si la lluvia persiste, como en otono e invierno en los paises temperados o durante la estacion lluviosa en los paises tropicales, el suelo puede alcanzar niveles de humedad proximos al de saturacion y en este caso el agua de lluvia permanece en las capas superiores del suelo, constituyendo una barrera que impide que el radon se escape hacia la atmosfera. Estos efectos pueden variar en intensidad segun las propiedades del suelo (porosidad, permeabilidad, etc.), pero el mecanismo general es el mismo que el explicado en este trabajo.

Los resultados obtenidos y el modelo presentado en este trabajo son de gran utilidad a la hora de la interpretacion de las medidas de radon en zonas volcanicas y sismicas. Los resultados podrian dar lugar a la creacion de un filtro para la influencia de la lluvia en las medidas realizadas en zonas de interes sismico y volcanico.

Un analisis mas cuantitativo de este fenomeno toma en cuenta la ecuacion de transporte de radon y la ecuacion de velocidad del frente humedo, con el fin de poder obtener un flujo convectivo de radon. Este analisis forma parte de un futuro trabajo del autor.

AGRADECIMIENTOS

El autor agradece a la Universidad de Costa Rica, en especial a la Vicerrectoria de Investigacion, por el apoyo brindado, a traves del proyecto "Radon y Sismicidad en Costa Rica". A la Universidad de Montpellier II e igualmente al Organismo Internacional de Energia Atomica.

REFERENCIAS

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J. R. Garcia-Vindas

Universidad de Costa Rica, Escuela de Fisica, Seccion de Fisica Nuclear Aplicada.

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Author:Garcia-Vindas, J.R.
Publication:Revista Geologica de America Central
Date:Dec 1, 2000
Words:3800
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