El monitoreo ambiental son los procesos y actividades que se realizan para caracterizar y describir el estado del medio ambiente. Se utiliza en la preparación de evaluaciones de impacto ambiental y en muchas circunstancias en las que las actividades humanas pueden causar efectos nocivos en el medio ambiente natural . Las estrategias y programas de monitoreo generalmente están diseñados para establecer el estado actual de un medio ambiente o para establecer una línea base y tendencias en los parámetros ambientales. Los resultados del monitoreo generalmente se revisan, se analizan estadísticamente y se publican. Un programa de monitoreo se diseña en torno al uso previsto de los datos antes de que comience el monitoreo.
El monitoreo ambiental incluye el monitoreo de la calidad del aire , del suelo y del agua .
Los contaminantes del aire son sustancias atmosféricas, tanto naturales como antropogénicas , que pueden tener un impacto negativo en el medio ambiente y la salud de los organismos . Con la evolución de nuevos productos químicos y procesos industriales, se ha producido la introducción o el aumento de contaminantes en la atmósfera, así como la investigación y las reglamentaciones ambientales, lo que ha aumentado la demanda de vigilancia de la calidad del aire. [1]
El monitoreo de la calidad del aire es un desafío, ya que requiere la integración efectiva de múltiples fuentes de datos ambientales, que a menudo provienen de diferentes redes e instituciones ambientales. [2] Estos desafíos requieren equipos y herramientas de observación especializados para establecer concentraciones de contaminantes del aire, incluidas redes de sensores, modelos de sistemas de información geográfica (SIG) y el Servicio de Observación de Sensores (SOS), un servicio web para consultar datos de sensores en tiempo real. [2] Los modelos de dispersión del aire que combinan datos topográficos, de emisiones y meteorológicos para predecir las concentraciones de contaminantes del aire suelen ser útiles para interpretar los datos de monitoreo del aire. Además, la consideración de los datos del anemómetro en el área entre las fuentes y el monitor a menudo proporciona información sobre la fuente de los contaminantes del aire registrados por un monitor de contaminación del aire.
Los monitores de calidad del aire son operados por ciudadanos, [3] [4] [5] agencias reguladoras, [6] [7] organizaciones no gubernamentales [8] e investigadores [9] para investigar la calidad del aire y los efectos de la contaminación atmosférica. La interpretación de los datos de monitoreo del aire ambiente a menudo implica una consideración de la representatividad espacial y temporal [10] de los datos recopilados y los efectos sobre la salud asociados con la exposición a los niveles monitoreados. [11] Si la interpretación revela concentraciones de múltiples compuestos químicos, una "huella química" única de una fuente particular de contaminación atmosférica puede surgir del análisis de los datos. [12]
El muestreo pasivo o "difusivo" del aire depende de las condiciones meteorológicas, como el viento, para difundir los contaminantes del aire a un medio absorbente . Los muestreadores pasivos, como los tubos de difusión , tienen la ventaja de ser generalmente pequeños, silenciosos y fáciles de implementar, y son particularmente útiles en estudios de calidad del aire que determinan áreas clave para el monitoreo continuo futuro. [13]
La contaminación del aire también se puede evaluar mediante el biomonitoreo con organismos que bioacumulan contaminantes del aire, como líquenes , musgos, hongos y otra biomasa. [14] [15] Uno de los beneficios de este tipo de muestreo es que se puede obtener información cuantitativa a través de mediciones de compuestos acumulados, representativos del entorno del que provienen. Sin embargo, se deben tener en cuenta consideraciones cuidadosas al elegir el organismo en particular, cómo se dispersa y su relevancia para el contaminante. [15]
Otros métodos de muestreo incluyen el uso de un denudador, [16] [17] dispositivos de trampa de agujas y técnicas de microextracción . [18]
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El monitoreo del suelo implica la recolección y/o análisis del suelo y su calidad asociada , componentes y estado físico para determinar o garantizar su aptitud para el uso. El suelo enfrenta muchas amenazas, incluidas la compactación , la contaminación , la pérdida de material orgánico , la pérdida de biodiversidad , los problemas de estabilidad de pendientes , la erosión , la salinización y la acidificación . El monitoreo del suelo ayuda a caracterizar estas amenazas y otros riesgos potenciales para el suelo, los entornos circundantes, la salud animal y la salud humana. [19]
La evaluación de estas amenazas y otros riesgos para el suelo puede ser un desafío debido a una variedad de factores, entre ellos la heterogeneidad y complejidad del suelo, la escasez de datos de toxicidad , la falta de comprensión del destino de un contaminante y la variabilidad en los niveles de detección del suelo. [19] Esto requiere un enfoque de evaluación de riesgos y técnicas de análisis que prioricen la protección ambiental, la reducción de riesgos y, si es necesario, los métodos de remediación. [19] El monitoreo del suelo juega un papel importante en esa evaluación de riesgos, no solo ayudando en la identificación de áreas en riesgo y afectadas sino también en el establecimiento de valores de fondo de base del suelo. [19]
Históricamente, el monitoreo del suelo se ha centrado en condiciones y contaminantes más clásicos, incluidos elementos tóxicos (por ejemplo, mercurio , plomo y arsénico ) y contaminantes orgánicos persistentes (COP). [19] Históricamente, sin embargo, las pruebas para estos y otros aspectos del suelo han tenido su propio conjunto de desafíos, ya que el muestreo en la mayoría de los casos es de naturaleza destructiva y requiere múltiples muestras a lo largo del tiempo. Además, pueden introducirse errores de procedimiento y analíticos debido a la variabilidad entre referencias y métodos, particularmente a lo largo del tiempo. [20] Sin embargo, a medida que las técnicas analíticas evolucionen y se difunda el nuevo conocimiento sobre los procesos ecológicos y los efectos de los contaminantes, es probable que el enfoque del monitoreo se amplíe con el tiempo y la calidad del monitoreo continúe mejorando. [19]
Los dos tipos principales de muestreo de suelo son el muestreo al azar y el muestreo compuesto. El muestreo al azar implica la recolección de una muestra individual en un momento y lugar específicos, mientras que el muestreo compuesto implica la recolección de una mezcla homogeneizada de múltiples muestras individuales en un lugar específico durante diferentes momentos o en múltiples ubicaciones en un momento específico. [21] El muestreo de suelo puede realizarse tanto en niveles de suelo poco profundos como profundos, y los métodos de recolección varían según el nivel del que se recolecta. En los niveles de suelo poco profundos se utilizan palas, barrenas, barriles de extracción de núcleos y muestreadores de tubo sólido y otras herramientas, mientras que en los suelos profundos se pueden utilizar métodos de tubo dividido, de tubo sólido o hidráulicos. [22]
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El monitoreo de la contaminación del suelo ayuda a los investigadores a identificar patrones y tendencias en la deposición, movimiento y efecto de contaminantes. Las presiones humanas como el turismo, la actividad industrial, la expansión urbana , las obras de construcción y las prácticas agrícolas y forestales inadecuadas pueden contribuir a la contaminación del suelo y empeorarla , y hacer que el suelo no sea apto para su uso previsto. Tanto los contaminantes inorgánicos como los orgánicos pueden llegar al suelo, lo que tiene una amplia variedad de efectos perjudiciales. Por lo tanto, el monitoreo de la contaminación del suelo es importante para identificar áreas de riesgo, establecer líneas de base e identificar zonas contaminadas para su remediación. Los esfuerzos de monitoreo pueden variar desde granjas locales hasta esfuerzos a nivel nacional, como los realizados por China a fines de la década de 2000 [19], que brindan detalles como la naturaleza de los contaminantes, su cantidad, efectos, patrones de concentración y viabilidad de la remediación [23] . Idealmente, los equipos de monitoreo y análisis tendrán tiempos de respuesta altos, altos niveles de resolución y automatización y un cierto grado de autosuficiencia. [24] Se pueden utilizar técnicas químicas para medir elementos tóxicos y contaminantes orgánicos persistentes mediante cromatografía y espectrometría , técnicas geofísicas que permiten evaluar las propiedades físicas de grandes terrenos y técnicas biológicas que pueden utilizar organismos específicos para medir no sólo el nivel de contaminantes sino también los subproductos de la biodegradación de los mismos. Estas técnicas y otras son cada vez más eficientes y la instrumentación de laboratorio es cada vez más precisa, lo que permite obtener resultados de seguimiento más significativos. [25]
El monitoreo de la erosión del suelo ayuda a los investigadores a identificar patrones y tendencias en el movimiento del suelo y los sedimentos. Los programas de monitoreo han variado a lo largo de los años, desde investigaciones académicas a largo plazo en parcelas universitarias hasta estudios basados en el reconocimiento de áreas biogeoclimáticas. Sin embargo, en la mayoría de los métodos, el enfoque general está en identificar y medir todos los procesos de erosión dominantes en un área determinada. [26] Además, el monitoreo de la erosión del suelo puede intentar cuantificar los efectos de la erosión en la productividad de los cultivos, aunque es un desafío "debido a las muchas complejidades en la relación entre los suelos y las plantas y su manejo en un clima variable". [27]
El monitoreo de la salinidad del suelo ayuda a los investigadores a identificar patrones y tendencias en el contenido de sal del suelo. Tanto el proceso natural de intrusión de agua de mar como los procesos inducidos por el hombre de manejo inadecuado del suelo y el agua pueden conducir a problemas de salinidad en el suelo, con hasta mil millones de hectáreas de tierra afectadas en todo el mundo (en 2013). [28] El monitoreo de la salinidad a nivel local puede observar de cerca la zona de las raíces para medir el impacto de la salinidad y desarrollar opciones de manejo, mientras que a nivel regional y nacional el monitoreo de la salinidad puede ayudar a identificar áreas en riesgo y ayudar a los responsables de las políticas a abordar el problema antes de que se propague. [28] El proceso de monitoreo en sí puede realizarse utilizando tecnologías como la teledetección y los sistemas de información geográfica (SIG) para identificar la salinidad a través del verdor, el brillo y la blancura a nivel de la superficie. El análisis directo del suelo de cerca, incluido el uso de técnicas de inducción electromagnética , también puede usarse para monitorear la salinidad del suelo. [28]
El seguimiento de la calidad del agua es de poca utilidad si no se definen de manera clara e inequívoca las razones para realizarlo y los objetivos que se pretenden alcanzar. Casi todos los métodos de seguimiento (excepto quizás la teledetección ) son en cierta medida invasivos para el medio ambiente en estudio, y un seguimiento extenso y mal planificado conlleva el riesgo de dañar el medio ambiente. Esto puede ser una consideración crítica en áreas silvestres o cuando se realizan seguimientos de organismos muy raros o que son reacios a la presencia humana. Algunas técnicas de seguimiento, como la pesca con redes de enmalle para estimar las poblaciones, pueden ser muy perjudiciales, al menos para la población local, y también pueden degradar la confianza del público en los científicos que realizan el seguimiento.
Casi todos los proyectos de seguimiento ambiental general forman parte de una estrategia de seguimiento o un campo de investigación general, y estos campos y estrategias se derivan a su vez de los objetivos o aspiraciones de alto nivel de una organización. A menos que los proyectos de seguimiento individuales encajen en un marco estratégico más amplio, es poco probable que se publiquen los resultados y se perderá la comprensión ambiental producida por el seguimiento. [29] [30]
Véase también Parámetros de calidad ambiental del agua dulce
La gama de parámetros químicos que pueden afectar a cualquier ecosistema es muy amplia y, en todos los programas de vigilancia, es necesario seleccionar un conjunto de parámetros basados en los conocimientos locales y las prácticas anteriores para realizar una revisión inicial. La lista se puede ampliar o reducir en función de los conocimientos adquiridos y de los resultados de los estudios iniciales.
Los ambientes de agua dulce han sido ampliamente estudiados durante muchos años y existe un conocimiento sólido de las interacciones entre la química y el medio ambiente en gran parte del mundo. Sin embargo, a medida que se desarrollen nuevos materiales y surjan nuevas presiones, será necesario revisar los programas de monitoreo. En los últimos 20 años, la lluvia ácida , los análogos de hormonas sintéticas , los hidrocarburos halogenados , los gases de efecto invernadero y muchos otros han requerido cambios en las estrategias de monitoreo.
En el monitoreo ecológico, la estrategia y el esfuerzo de monitoreo están dirigidos a las plantas y animales del ambiente bajo revisión y son específicos para cada estudio individual.
Sin embargo, en un seguimiento ambiental más generalizado, muchos animales actúan como indicadores sólidos de la calidad del medio ambiente que están experimentando o han experimentado en el pasado reciente. [31] Uno de los ejemplos más conocidos es el seguimiento de las cantidades de peces salmónidos, como la trucha marrón o el salmón del Atlántico, en sistemas fluviales y lagos para detectar tendencias lentas en los efectos ambientales adversos. La pronunciada disminución de las poblaciones de peces salmónidos fue uno de los primeros indicios del problema que más tarde se conocería como lluvia ácida .
En los últimos años se ha prestado mucha más atención a un enfoque más holístico en el que se evalúa la salud del ecosistema y se utiliza como herramienta de seguimiento en sí misma. [32] Es este enfoque el que sustenta los protocolos de seguimiento de la Directiva Marco del Agua en la Unión Europea .
La vigilancia de la radiación implica la medición de la dosis de radiación o la contaminación por radionucleidos por razones relacionadas con la evaluación o el control de la exposición a la radiación ionizante o a sustancias radiactivas, y la interpretación de los resultados. [33] La "medición" de la dosis a menudo significa la medición de una cantidad equivalente de dosis como sustituto de una cantidad de dosis que no se puede medir directamente. También puede realizarse un muestreo como paso preliminar a la medición del contenido de radionucleidos en el medio ambiental. Los detalles metodológicos y técnicos del diseño y el funcionamiento de los programas y sistemas de vigilancia para diferentes radionucleidos, medios ambientales y tipos de instalaciones se dan en la Guía de seguridad del OIEA RS-G-1.8 [34] y en el Informe de seguridad del OIEA Nº 64. [35]
El control de la radiación se lleva a cabo a menudo mediante redes de sensores fijos y desplegables, como la red Radnet de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos y la red SPEEDI de Japón. También se realizan estudios aéreos por parte de organizaciones como el Equipo de Apoyo a Emergencias Nucleares .
Las bacterias y los virus son los grupos de organismos microbiológicos que se controlan con mayor frecuencia e incluso estos solo tienen gran relevancia cuando el agua del entorno acuático se utiliza posteriormente como agua potable o cuando se practican actividades recreativas que implican contacto con el agua, como la natación o el piragüismo .
Aunque los patógenos son el foco principal de atención, el principal esfuerzo de monitoreo casi siempre se dirige a especies indicadoras mucho más comunes, como Escherichia coli [36] , complementadas con recuentos generales de bacterias coliformes . La lógica detrás de esta estrategia de monitoreo es que la mayoría de los patógenos humanos se originan de otros humanos a través de la corriente de aguas residuales . Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales no tienen una etapa final de esterilización y, por lo tanto, vierten un efluente que, aunque tiene un aspecto limpio, todavía contiene muchos millones de bacterias por litro, la mayoría de las cuales son bacterias coliformes relativamente inofensivas. El recuento del número de bacterias inofensivas (o menos dañinas) de las aguas residuales permite emitir un juicio sobre la probabilidad de que haya un número significativo de bacterias o virus patógenos presentes. Cuando los niveles de E. coli o coliformes exceden los valores de activación preestablecidos, se inicia entonces un monitoreo más intensivo que incluye un monitoreo específico para especies patógenas.
Las estrategias de monitoreo pueden producir respuestas engañosas cuando se basan en recuentos de especies o en la presencia o ausencia de organismos particulares si no se tiene en cuenta el tamaño de la población. Es fundamental comprender la dinámica de las poblaciones de un organismo que se está monitoreando.
Por ejemplo, si la presencia o ausencia de un organismo particular dentro de un cuadrado de 10 km es la medida adoptada por una estrategia de monitoreo, entonces una reducción de la población de 10.000 por cuadrado a 10 por cuadrado pasará desapercibida a pesar del impacto muy significativo experimentado por el organismo.
Todo seguimiento ambiental científicamente fiable se lleva a cabo de acuerdo con un programa publicado. El programa puede incluir los objetivos generales de la organización, referencias a las estrategias específicas que ayudan a alcanzar el objetivo y detalles de proyectos o tareas específicos dentro de esas estrategias. La característica clave de cualquier programa es la lista de lo que se está monitoreando y cómo se llevará a cabo ese monitoreo y el período de tiempo en el que todo debería suceder. Por lo general, y a menudo como apéndice, un programa de monitoreo proporcionará una tabla de ubicaciones, fechas y métodos de muestreo que se proponen y que, si se llevan a cabo en su totalidad, cumplirán con el programa de monitoreo publicado.
Hay varios paquetes de software comerciales que pueden ayudar con la implementación del programa, monitorear su progreso y detectar inconsistencias u omisiones, pero ninguno de ellos puede proporcionar el elemento clave que es el programa en sí.
Dados los múltiples tipos y volúmenes crecientes e importancia de los datos de monitoreo, los sistemas de gestión de datos ambientales (EDMS) o E-MDMS de software comercial son cada vez más comunes en las industrias reguladas. Proporcionan un medio para gestionar todos los datos de monitoreo en un solo lugar central. La validación de calidad, la comprobación de cumplimiento, la verificación de que se hayan recibido todos los datos y el envío de alertas generalmente están automatizados. La funcionalidad de interrogación típica permite la comparación de conjuntos de datos tanto temporal como espacialmente. También generarán informes regulatorios y de otro tipo.
Existe un sistema de certificación formal específico para el software de gestión de datos ambientales , que ofrece la Agencia de Medio Ambiente del Reino Unido en el marco de su Sistema de Certificación de Monitoreo (MCERTS). [37] [38] [39]
Existe una amplia gama de métodos de muestreo que dependen del tipo de entorno, del material que se está muestreando y del análisis posterior de la muestra. En su forma más simple, una muestra puede consistir en llenar una botella limpia con agua de río y enviarla a un análisis químico convencional. En su forma más compleja, los datos de la muestra pueden generarse mediante dispositivos de detección electrónicos complejos que toman submuestras durante períodos de tiempo fijos o variables.
Los métodos de muestreo incluyen muestreo por juicio, muestreo aleatorio simple, muestreo estratificado , muestreo sistemático y en cuadrícula, muestreo por conglomerados adaptativo , muestras al azar, monitoreo semicontinuo y continuo, muestreo pasivo , vigilancia remota, teledetección , biomonitoreo y otros métodos de muestreo.
En el muestreo basado en juicios, la selección de las unidades de muestreo (es decir, el número y la ubicación y/o el momento de la recolección de las muestras) se basa en el conocimiento de la característica o condición que se investiga y en el juicio profesional. El muestreo basado en juicios se distingue del muestreo basado en probabilidades en que las inferencias se basan en el juicio profesional, no en la teoría científica estadística. Por lo tanto, las conclusiones sobre la población objetivo son limitadas y dependen completamente de la validez y precisión del juicio profesional; no es posible hacer afirmaciones probabilísticas sobre los parámetros. Como se describe en los capítulos siguientes, el juicio de expertos también puede utilizarse junto con otros diseños de muestreo para producir un muestreo eficaz para tomar decisiones defendibles. [40]
En el muestreo aleatorio simple, las unidades de muestreo particulares (por ejemplo, lugares y/o momentos) se seleccionan utilizando números aleatorios, y todas las selecciones posibles de un número dado de unidades tienen la misma probabilidad. Por ejemplo, se puede tomar una muestra aleatoria simple de un conjunto de tambores numerando todos los tambores y seleccionando aleatoriamente números de esa lista o muestreando un área utilizando pares de coordenadas aleatorias. Este método es fácil de entender y las ecuaciones para determinar el tamaño de la muestra son relativamente sencillas. El muestreo aleatorio simple es más útil cuando la población de interés es relativamente homogénea; es decir, no se esperan patrones importantes de contaminación o “puntos calientes”. Las principales ventajas de este diseño son:
En algunos casos, la implementación de un muestreo aleatorio simple puede ser más difícil que otros tipos de diseños (por ejemplo, muestreos en cuadrícula) debido a la dificultad de identificar con precisión ubicaciones geográficas aleatorias. Además, el muestreo aleatorio simple puede ser más costoso que otros planes si las dificultades para obtener muestras debido a la ubicación provocan un gasto de esfuerzo adicional. [40]
En el muestreo estratificado , la población objetivo se divide en estratos que no se superponen o en subpoblaciones que se sabe o se piensa que son más homogéneas (en relación con el medio ambiental o el contaminante), de modo que tiende a haber menos variación entre las unidades de muestreo en el mismo estrato que entre las unidades de muestreo en diferentes estratos. Los estratos pueden elegirse en función de la proximidad espacial o temporal de las unidades, o en función de la información preexistente o el criterio profesional sobre el sitio o el proceso. Las ventajas de este diseño de muestreo son que tiene el potencial de lograr una mayor precisión en las estimaciones de la media y la varianza, y que permite el cálculo de estimaciones fiables para subgrupos de población de interés especial. Se puede obtener una mayor precisión si la medición de interés está fuertemente correlacionada con la variable utilizada para hacer los estratos. [40]
En el muestreo sistemático y en cuadrícula, las muestras se toman a intervalos espaciados regularmente en el espacio o el tiempo. Se elige una ubicación o tiempo inicial al azar y luego se definen las ubicaciones de muestreo restantes de modo que todas las ubicaciones estén a intervalos regulares en un área (cuadrícula) o tiempo (sistemático). Ejemplos Muestreo sistemático en cuadrícula: cuadrícula cuadrada Muestreo sistemático en cuadrícula: cuadrícula triangular Las cuadrículas de cuadrículas sistemáticas incluyen cuadrículas cuadradas, rectangulares, triangulares o radiales. Cressie, 1993. En el muestreo sistemático aleatorio, se elige una ubicación (o tiempo) de muestreo inicial al azar y se especifican los sitios de muestreo restantes de modo que se ubiquen de acuerdo con un patrón regular. El muestreo sistemático aleatorio se utiliza para buscar puntos críticos e inferir medias, percentiles u otros parámetros y también es útil para estimar patrones espaciales o tendencias a lo largo del tiempo. Este diseño proporciona un método práctico y fácil para designar ubicaciones de muestra y garantiza una cobertura uniforme de un sitio, unidad o proceso. [40]
El muestreo por conjuntos clasificados es un diseño innovador que puede resultar muy útil y rentable para obtener mejores estimaciones de los niveles de concentración media en el suelo y otros medios ambientales al incorporar explícitamente el criterio profesional de un investigador de campo o un método de medición de detección de campo para elegir ubicaciones de muestreo específicas en el campo. El muestreo por conjuntos clasificados utiliza un diseño de muestreo de dos fases que identifica conjuntos de ubicaciones de campo, utiliza mediciones económicas para clasificar las ubicaciones dentro de cada conjunto y luego selecciona una ubicación de cada conjunto para el muestreo. En el muestreo por conjuntos clasificados, se identifican m conjuntos (cada uno de tamaño r) de ubicaciones de campo mediante un muestreo aleatorio simple. Las ubicaciones se clasifican de forma independiente dentro de cada conjunto utilizando el criterio profesional o mediciones económicas, rápidas o sustitutas. Luego se selecciona una unidad de muestreo de cada conjunto (según las clasificaciones observadas) para la medición posterior utilizando un método más preciso y confiable (por lo tanto, más costoso) para el contaminante de interés. En relación con el muestreo aleatorio simple, este diseño da como resultado muestras más representativas y, por lo tanto, conduce a estimaciones más precisas de los parámetros de la población. El muestreo por conjuntos clasificados es útil cuando el costo de localizar y clasificar ubicaciones en el campo es bajo en comparación con las mediciones de laboratorio. También es adecuado, cuando se dispone de una variable auxiliar de bajo costo (basada en el conocimiento de expertos o en mediciones), clasificar las unidades de población con respecto a la variable de interés. Para utilizar este diseño de manera eficaz, es importante que el método de clasificación y el método analítico estén fuertemente correlacionados. [40]
En el muestreo adaptativo por conglomerados , las muestras se toman mediante un muestreo aleatorio simple y se toman muestras adicionales en lugares donde las mediciones superan un valor umbral. Es posible que se necesiten varias rondas adicionales de muestreo y análisis. El muestreo adaptativo por conglomerados rastrea las probabilidades de selección para fases posteriores del muestreo, de modo que se pueda calcular una estimación imparcial de la media de la población a pesar del sobremuestreo de ciertas áreas. Un ejemplo de aplicación del muestreo adaptativo por conglomerados es delinear los límites de una columna de contaminación. El muestreo adaptativo es útil para estimar o buscar características raras en una población y es apropiado para mediciones rápidas y económicas. Permite delinear los límites de los puntos críticos, al mismo tiempo que utiliza todos los datos recopilados con la ponderación adecuada para brindar estimaciones imparciales de la media de la población. [40] [41]
Las muestras al azar son muestras tomadas de un material homogéneo, generalmente agua , en un solo recipiente. Llenar una botella limpia con agua de río es un ejemplo muy común. Las muestras al azar proporcionan una buena visión instantánea de la calidad del entorno muestreado en el punto de muestreo y en el momento del muestreo. Sin un seguimiento adicional, los resultados no se pueden extrapolar a otros momentos ni a otras partes del río, lago o agua subterránea. [41] : 3
Para que las muestras tomadas al azar o los ríos puedan considerarse representativos, se requieren estudios repetidos de transectos transversales y longitudinales tomados en diferentes momentos del día y épocas del año para establecer que la ubicación de la muestra tomada al azar es lo más representativa posible. En el caso de los ríos grandes, dichos estudios también deben tener en cuenta la profundidad de la muestra y la mejor manera de gestionar los lugares de muestreo en épocas de inundaciones y sequías. [41] : 8–9
En los lagos, las muestras al azar son relativamente fáciles de tomar utilizando muestreadores de profundidad que se pueden bajar a una profundidad predeterminada y luego cerrarse atrapando un volumen fijo de agua de la profundidad requerida. En todos los lagos, excepto en los más superficiales, hay cambios importantes en la composición química del agua del lago a diferentes profundidades, especialmente durante los meses de verano, cuando muchos lagos se estratifican en una capa superior cálida y bien oxigenada ( epilimnion ) y una capa inferior fría y desoxigenada ( hipolimnion ).
En el entorno marino de mar abierto, las muestras tomadas al azar pueden establecer una amplia gama de parámetros de referencia, como la salinidad y una variedad de concentraciones de cationes y aniones. Sin embargo, cuando las condiciones cambiantes son un problema, como cerca de ríos o descargas de aguas residuales, cerca de los efectos del vulcanismo o cerca de áreas de aporte de agua dulce proveniente del derretimiento del hielo, una muestra tomada al azar solo puede brindar una respuesta muy parcial cuando se toma por sí sola.
Existe una amplia gama de equipos de muestreo especializados disponibles que pueden programarse para tomar muestras a intervalos de tiempo fijos o variables o en respuesta a un disparador externo. Por ejemplo, un muestreador automático puede programarse para comenzar a tomar muestras de un río a intervalos de 8 minutos cuando la intensidad de la lluvia aumenta por encima de 1 mm / hora. El disparador en este caso puede ser un pluviómetro remoto que se comunica con el muestreador mediante un teléfono celular o tecnología de ráfagas de meteoritos [42] . Los muestreadores también pueden tomar muestras discretas individuales en cada ocasión de muestreo o agrupar muestras en un compuesto de modo que en el transcurso de un día, dicho muestreador podría producir 12 muestras compuestas, cada una compuesta de 6 submuestras tomadas a intervalos de 20 minutos.
El monitoreo continuo o cuasi continuo implica tener una instalación analítica automatizada cerca del entorno que se está monitoreando para que los resultados puedan, si es necesario, verse en tiempo real. Estos sistemas a menudo se establecen para proteger importantes suministros de agua, como en el sistema de regulación del río Dee, pero también pueden ser parte de una estrategia de monitoreo general en grandes ríos estratégicos donde la advertencia temprana de problemas potenciales es esencial. Estos sistemas proporcionan rutinariamente datos sobre parámetros como pH , oxígeno disuelto , conductividad , turbidez y amoníaco utilizando sondas. [43] También es posible operar cromatografía de gas líquido con tecnologías de espectrometría de masas (GLC/MS) para examinar una amplia gama de posibles contaminantes orgánicos . En todos los ejemplos de análisis automatizados en la orilla existe el requisito de bombear agua desde el río hasta la estación de monitoreo. Elegir una ubicación para la entrada de la bomba es tan crítico como decidir la ubicación para una muestra de mano del río. El diseño de la bomba y la tubería también requiere un diseño cuidadoso para evitar que se introduzcan artefactos a través de la acción de bombear el agua. La concentración de oxígeno disuelto es difícil de mantener a través de un sistema bombeado y las instalaciones GLC/MS pueden detectar contaminantes microorgánicos de las tuberías y las glándulas .
El uso de muestreadores pasivos reduce en gran medida el costo y la necesidad de infraestructura en el lugar de muestreo. Los muestreadores pasivos son semidesechables y se pueden producir a un costo relativamente bajo, por lo que se pueden emplear en grandes cantidades, lo que permite una mejor cobertura y la recolección de más datos. Debido a que es pequeño, el muestreador pasivo también se puede ocultar y, por lo tanto, se reduce el riesgo de vandalismo. Algunos ejemplos de dispositivos de muestreo pasivo son el muestreador de gradientes difusivos en películas delgadas (DGT), el Chemcatcher , el muestreador químico orgánico polar integrador (POCIS), los dispositivos de membrana semipermeable (SPMD), los dispositivos de membrana líquida estabilizada (SLMD) y una bomba de muestreo de aire .
Aunque la recopilación de datos in situ mediante equipos de medición electrónicos es una práctica habitual, muchos programas de vigilancia también utilizan la vigilancia remota y el acceso remoto a los datos en tiempo real. Esto requiere que el equipo de vigilancia in situ esté conectado a una estación base a través de una red de telemetría, una línea telefónica fija, una red de telefonía móvil u otro sistema de telemetría como Meteor Burst. La ventaja de la vigilancia remota es que pueden llegar muchos datos a una única estación base para su almacenamiento y análisis. También permite establecer niveles de activación o niveles de alerta para sitios de vigilancia individuales y/o parámetros de modo que se pueda iniciar una acción inmediata si se supera un nivel de activación. El uso de la vigilancia remota también permite la instalación de equipos de vigilancia muy discretos que a menudo se pueden enterrar, camuflar o atar en la profundidad de un lago o río con solo una pequeña antena de látigo que sobresale. El uso de este tipo de equipos tiende a reducir el vandalismo y el robo cuando se realiza la vigilancia en lugares de fácil acceso para el público.
La teledetección ambiental utiliza vehículos aéreos no tripulados , aeronaves o satélites para monitorear el medio ambiente mediante sensores multicanal.
Existen dos tipos de teledetección. Los sensores pasivos detectan la radiación natural emitida o reflejada por el objeto o el área circundante que se observa. La luz solar reflejada es la fuente más común de radiación medida por sensores pasivos y, en la teledetección ambiental, los sensores utilizados están ajustados a longitudes de onda específicas, desde el infrarrojo lejano hasta las frecuencias de luz visible y el ultravioleta lejano . Los volúmenes de datos que se pueden recopilar son muy grandes y requieren un soporte computacional dedicado. El resultado del análisis de datos de la teledetección son imágenes de color falso que diferencian pequeñas diferencias en las características de radiación del entorno que se está monitoreando. Si un operador hábil elige canales específicos, es posible amplificar diferencias que son imperceptibles para el ojo humano. En particular, es posible discriminar cambios sutiles en las concentraciones de clorofila a y clorofila b en las plantas y mostrar áreas de un entorno con regímenes de nutrientes ligeramente diferentes.
La teledetección activa emite energía y utiliza un sensor pasivo para detectar y medir la radiación que se refleja o retrodispersa desde el objetivo. El LIDAR se utiliza a menudo para adquirir información sobre la topografía de un área, especialmente cuando el área es grande y la medición manual sería prohibitivamente costosa o difícil.
La teledetección permite recopilar datos sobre zonas peligrosas o de difícil acceso. Entre las aplicaciones de la teledetección se encuentran el seguimiento de la deforestación en zonas como la cuenca del Amazonas , los efectos del cambio climático en los glaciares y las regiones ártica y antártica, y el sondeo de profundidad de las zonas costeras y oceánicas.
Las plataformas orbitales recogen y transmiten datos de diferentes partes del espectro electromagnético , que junto con la detección y el análisis aéreos o terrestres a mayor escala, proporcionan información para monitorear tendencias como El Niño y otros fenómenos naturales de largo y corto plazo. Otros usos incluyen diferentes áreas de las ciencias de la tierra , como la gestión de recursos naturales , la planificación del uso de la tierra y la conservación. [44]
El uso de organismos vivos como herramientas de monitoreo tiene muchas ventajas. Los organismos que viven en el ambiente en estudio están constantemente expuestos a las influencias físicas, biológicas y químicas de ese ambiente. Los organismos que tienen tendencia a acumular especies químicas a menudo pueden acumular cantidades significativas de material a partir de concentraciones muy bajas en el ambiente. Muchos investigadores han utilizado musgos para monitorear las concentraciones de metales pesados debido a su tendencia a adsorber selectivamente metales pesados. [45] [46]
De manera similar, se han utilizado anguilas para estudiar sustancias químicas orgánicas halogenadas , ya que éstas se adsorben en los depósitos grasos dentro de la anguila. [47]
El muestreo ecológico requiere una planificación cuidadosa para que sea representativo y lo menos invasivo posible. En el caso de pastizales y otros hábitats de bajo crecimiento, se suele utilizar un cuadrante (un marco cuadrado de 1 metro) en el que se cuentan las cantidades y los tipos de organismos que crecen dentro de cada área del cuadrante [48].
Los sedimentos y los suelos requieren herramientas de muestreo especializadas para garantizar que el material recuperado sea representativo. Estos muestreadores suelen estar diseñados para recuperar un volumen específico de material y también pueden estar diseñados para recuperar la biota viva del sedimento o del suelo [49], como el muestreador de mano Ekman .
La interpretación de los datos ambientales generados a partir de un programa de monitoreo bien diseñado es un tema amplio y complejo que se aborda en muchas publicaciones. Lamentablemente, a veces sucede que los científicos abordan el análisis de los resultados con un resultado preconcebido en mente y usan o abusan de las estadísticas para demostrar que su propio punto de vista es correcto.
Las estadísticas siguen siendo una herramienta que es igualmente fácil de usar o de hacer mal uso para demostrar las lecciones aprendidas del monitoreo ambiental.
Desde que se inició la vigilancia ambiental basada en la ciencia, se han ideado varios índices de calidad para ayudar a clasificar y aclarar el significado de los considerables volúmenes de datos involucrados. Decir que un tramo de río pertenece a la "Clase B" probablemente sea mucho más informativo que decir que ese tramo de río tiene una DBO media de 4,2, un oxígeno disuelto medio del 85%, etc. En el Reino Unido, la Agencia de Medio Ambiente empleó formalmente un sistema llamado Evaluación General de Calidad (GQA) que clasificaba los ríos en seis bandas de letras de calidad de la A a la F en función de criterios químicos [50] y biológicos [51] . La Agencia de Medio Ambiente y sus socios descentralizados en Gales (Countryside Council for Wales, CCW) y Escocia (Scottish Environmental Protection Agency, SEPA) emplean ahora un sistema de clasificación biológica, química y física para ríos y lagos que se corresponde con la Directiva Marco del Agua de la UE [52] .
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