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¿Por Qué la Luz Solar es Importante para los Derrames de Petróleo en el Mar?

Una década de investigación desde el desastre de Deepwater Horizon ha revelado cómo la luz solar—su importancia subestimada durante mucho tiempo en la ciencia de derrames de petróleo—altera sustancialmente el petróleo que flota en la superficie del mar.

By , , and Edward B. Overton

This is an authorized translation of an Eos article. Esta es una traducción al español autorizada de un artículo de Eos.

Diez años atrás, el estallido y explosión a bordo de la plataforma petrolera Deepwater Horizon (DWH) mató a 11 personas y causó que cientos de millones de galones de petróleo y gas natural comenzaran a verterse en el Golfo de México, un derrame que eventualmente se convirtió en el más grande derrame marino en la historia de Estados Unidos. En 2016, un juez federal de distrito aprobó un acuerdo de $21 mil millones de dólares con las compañías involucradas – el acuerdo más grande en la historia de Estados Unidos por daños a los recursos naturales – que incluyó casi $9 mil millones de dólares para cubrir la restauración de los recursos naturales y los servicios que brindan.

Un resultado de este desastre fue un aumento sustancial en la cantidad de investigación enfocada en la ciencia de derrames de petróleo. Aproximadamente 1 mes después del comienzo del derrame, por ejemplo, la petrolera BP prometió $500 millones de dólares durante 10 años para financiar investigaciones independientes sobre los impactos del derrame. Estos fondos establecieron la Iniciativa de Investigación del Golfo de México (GoMRI), que ha apoyado a una amplia gama de proyectos de investigación desde el 2010.

Con este nivel de financiamiento sostenido y dirigido, el número de artículos publicados revisados por expertos sobre la ciencia de derrames en petróleo se disparó. Un avance notable que surgió de este nuevo cuerpo de investigación es que ahora tenemos una mejor comprensión de cómo se comporta el petróleo, física y químicamente, una vez que ingresa al medio ambiente. En particular, el papel de la luz solar en la fotooxidación del petróleo que flota en la superficie, largamente descontado o pasado por alto, ha adquirido una nueva prioridad, y los investigadores ahora están de acuerdo en que este papel debe explicarse mejor en las evaluaciones y modelos de derrames de petróleo.

El Petróleo se Meteoriza de Muchas Maneras

Cuando el petróleo crudo es derramado en el océano, se somete a una serie de procesos de meteorización, que incluyen: disolución, evaporación, emulsificación, biodegradación y fotooxidación. Algunos de estos procesos reubican el petróleo, mientras que otros lo transforman. Por ejemplo, la disolución y evaporación transfieren hidrocarburos de bajo peso molecular del petróleo a la columna del agua y al aire, respectivamente, pero no alteran la composición química de estos compuestos. La emulsificación es un proceso en el que el agua es dispersada por el petróleo, lo que hace que cambien las propiedades físicas de este (en particular, aumenta su viscosidad) pero no sus propiedades químicas. Por el contrario, la biodegradación y la fotooxidación son transformadoras: agregan oxígeno a los componentes del petróleo, creando nuevos compuestos con propiedades diferentes a las iniciales del petróleo derramado.

Estos procesos de meteorización del petróleo tienen implicaciones de gran alcance para la salud humana y del ecosistema, así como para las operaciones de respuesta ante derrames. La disolución de los componentes del petróleo en el agua puede facilitar la biodegradación microbiana, mientras que aumenta la exposición de los animales acuáticos a compuestos nocivos. La evaporación del petróleo desde la superficie del mar puede exponer a los primeros equipos de respuesta e industriales a compuestos tóxicos. Además, el petróleo evaporado se puede fotooxidar en aerosoles orgánicos secundarios y ozono; este proceso afectó negativamente la calidad del aire a lo largo de la Costa del Golfo después del derrame de DWH [Middlebrook et al., 2012]. La fotooxidación de los hidrocarburos flotantes dificulta la limpieza, contribuyendo a los residuos de petróleo que se acumulan en costas valiosas y sensibles. Estos procesos de meteorización son considerados por los socorristas cuando deciden cuándo y dónde asignar recursos valiosos para mitigar los daños del petróleo derramado.

Como parte de los esfuerzos en curso de Síntesis y Legado de GoMRI, cuyo objetivo es documentar y dar a conocer los logros y avances científicos realizados en los últimos 10 años, organizamos un taller con un grupo de expertos en meteorización del petróleo en el mar que incluyó a miembros del gobierno federal, academia e industria. Los asistentes discutieron todos los procesos de meteorización, aunque por las razones que se presentan a continuación, el taller se centró principalmente en la fotooxidación. Las conclusiones de este taller se resumieron recientemente en tres mensajes principales [Ward y Overton, 2020].

Un Proceso No Despreciable

Diagram illustrating the relative importance of floating surface oil weathering processes as understood before and after the 2010 Deepwater Horizon spill
Fig. 1. La importancia relativa de los procesos de meteorización de petróleo flotante en la superficie como se entiende antes y después de Deepwater Horizon 2010. Créditos: Modificado de Ward and Overton [2020]
Primero, la tasa y grado de fotooxidación del petróleo que flota en la superficie del mar después del estallido de DWH superó con creces las estimaciones basadas en los primeros modelos conceptuales de meteorización del petróleo. Antes del derrame, la perspectiva de consenso en muchas subdisciplinas de la ciencia del derrame de petróleo era que la evaporación, la emulsión y la biodegradación eran los procesos de meteorización que más influían en el destino del petróleo derramado en el mar (Figura 1). Generalmente se solía considerar que la fotooxidación afectaba solo a la pequeña fracción de compuestos aromáticos que absorben la luz en el petróleo [por ejemplo, Garret et al., 1998]. Y la fotooxidación no estaba incorporada en las evaluaciones de balance de masa del petróleo derramado (por ejemplo, la calculadora de presupuesto petrolero de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica), modelos de transporte y destino de derrames del petróleo, o documentos de orientación para la respuesta a derrames.

Pero más de una docena de estudios publicados desde el 2010, utilizando herramientas analíticas que van desde simples análisis elementales hasta espectrómetros de masas de última generación, han documentado la fotooxidación rápida y extensa del petróleo que flota en la superficie del mar en el transcurso del derrame de DWH [Ward y Overton, 2020]. Ward et al. [2018a] calcularon que una semana después de salir a la superficie, la mitad del petróleo flotante fue transformado por la luz solar en nuevos compuestos con diferentes propiedades físicas y químicas. La fotooxidación ciertamente no era un proceso de meteorización insignificante como se pensaba anteriormente, y los modelos conceptuales ahora se han revisado para reflejar la importancia de la meteorización fotoquímica (Figura 1) [National Research Council, 2019].

Cómo la Luz Solar Oxidó Todo Ese Petróleo

El segundo mensaje principal se centra en cómo la luz solar oxidó tanto petróleo flotando en la superficie del mar. Hay dos formas en las que puede ocurrir la fotooxidación del petróleo: directa e indirectamente (Figura 2). La fotooxidación directa ocurre cuando los compuestos en el petróleo crudo que absorben la luz solar natural, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos, se oxidan. Si esta fuera la vía dominante, la oxidación se limitaría a la pequeña fracción de componentes del petróleo que absorbe luz solar.

Diagram illustrating direct and indirect photooxidation of oil
Fig. 2. La fotooxidación directa del petróleo (izquierda) ocurre cuando una molécula que absorbe luz (anillo aromático negro) se oxida parcialmente en una nueva molécula (anillo aromático naranja). La fotooxidación indirecta del petróleo (centro) ocurre cuando la absorción de la luz conduce a la producción de especies reactivas de oxígeno. Estas especies reactivas pueden oxidar una amplia gama de compuestos (derecha), no solo aquellos que absorben directamente la luz. Créditos: Modificado de Ward and Overton [2020]
La fotooxidación indirecta es un poco más complicada. Cuando los compuestos en el petróleo crudo absorben la luz solar, se produce una amplia gama de especies reactivas de oxígeno, que incluyen oxígeno atómico, radicales peroxilo e hidroxilo. Estas especies pueden oxidar otros compuestos en el petróleo, no solo aquellos que absorben la luz directamente. Por lo tanto, si la fotooxidación indirecta fuera la principal vía de oxidación, una fracción mucho mayor del petróleo derramado sería vulnerable a la oxidación.

Antes de DWH, no había consenso sobre si domina la fotooxidación directa o indirecta. Pero con muestras y recursos disponibles y acceso a tecnologías analíticas recientemente desarrolladas, numerosos estudios de campo y de laboratorio ahora han documentado el papel determinante que juegan las vías de fotooxidación indirecta [por ejemplo, Hall et al., 2013; Ruddy et al., 2014]. Nuevamente, la mitad del petróleo flotante del derrame de DWH se fotooxidó en una semana [por ejemplo, Aeppli et al., 2012; Ward et al., 2018a], mucho más que el pequeño porcentaje que absorbió la luz directamente. Al resolver este debate de duración sobre la vía principal de la fotooxidación, la comunidad de investigación de derrames de petróleo ahora reconoce que una fracción mucho mayor del petróleo derramado es vulnerable a la oxidación por luz solar.

Agregando Fotoquímica a Modelos y Planes de Respuesta

El tercer mensaje principal se relaciona con la incorporación de la fotoquímica en los modelos de derrames de petróleo que predicen los muchos destinos de los hidrocarburos derramados en la superficie del mar a lo largo del tiempo y el espacio, información que es crítica para una eficaz planificación de respuesta a contingencias. Históricamente, tales modelos no consideraron los efectos del sol sobre las propiedades del petróleo. Además, el rendimiento de las herramientas utilizadas en respuesta a derrames de petróleo, como los dispersantes químicos, rara vez se evaluó respecto al petróleo fotooxidado. En cambio, los dispersantes se evaluaban tradicionalmente respecto a la evaporación y la emulsificación porque estos procesos alteran la viscosidad del petróleo derramado.

La comunidad de respuesta a derrames de petróleo ahora está comenzando a reconocer la prudencia de incorporar procesos determinados por la luz solar en los modelos de derrames de petróleo y en la planificación de respuesta a contingencias ya que la luz solar altera las propiedades físicas y químicas del petróleo crudo en la superficie del mar. Hay una sinergia entre la meteorización fotoquímica y la emulsificación. La luz solar produce compuestos tensoactivos que residen en la interfaz petróleo-agua y que promueven la formación de emulsiones altamente viscosas y estables, que son muy difíciles de dispersar.

Esta sinergia se planteó como hipótesis hace aproximadamente 40 años [Thingstad y Pengerud, 1982; Overton et al., 1980], pero no se pudo probar debido a restricciones analíticas en ese momento. En una victoria para la naturaleza iterativa y de largo alcance de la ciencia, una vez que la comunidad de investigación superó estas limitaciones, la hipótesis fue confirmada [Zito et al., 2020]. Aun así, esta sinergia no está reflejada completamente en los modelos de derrames de petróleo para los derrames en superficie debido a la falta de datos para cuantificar este proceso, lo que hace que los investigadores reflexionen sobre la precisión de las predicciones de los modelos.

Los cambios en la composición química del petróleo flotante una vez que es liberado al medio ambiente también afectan el rendimiento de los dispersantes químicos. En principio, estos dispersantes funcionan al dividir el petróleo de la superficie flotante en gotas que se dispersan en la columna de agua y, por lo tanto, reducen la cantidad de petróleo que llega a los ecosistemas costeros sensibles (Figura 3). Pero solo unos pocos días de exposición a la luz solar, que cambia la forma en que el petróleo flotante interactúa con los dispersantes químicos, pueden reducir la efectividad del dispersante en un 30% [Ward et al., 2018b]. Los esfuerzos de modelación que comparan el tiempo que el petróleo flotaba en el mar antes del tratamiento con dispersantes contra las tasas de fotooxidación de petróleo adicionalmente indican que una fracción considerable de las aplicaciones de dispersantes durante el derrame de DWH pueden haberse dirigido a hidrocarburos fotooxidados que no se dispersan fácilmente [Ward et al., 2018b]. Es probable que estudios anteriores no hayan informado sobre estos impactos de la exposición a la luz solar sobre la efectividad de los dispersantes químicos en la superficie del mar simplemente porque no se percibió que la oxidación fotoquímica afecta a una fracción significativa del petróleo derramado flotante.

Diagram illustrating aerial application of chemical dispersant to unweathered versus photochemically weathered oil floating on the sea surface
Fig. 3. Los dispersantes químicos utilizados para romper el petróleo flotante son mezclas de solventes y tensioactivos. Cuando los dispersantes se aplican de forma aérea al petróleo crudo no degradado (izquierda), el disolvente promueve interacciones entre el petróleo y el tensioactivo, lo que conduce a la formación de pequeñas gotas de petróleo que se dispersan en la columna de agua. Cuando se aplican al petróleo degradado fotoquímicamente (derecha), el petróleo solo se solubiliza parcialmente en el disolvente, lo que dificulta las interacciones entre el petróleo y el tensioactivo, y disminuye la cantidad de petróleo disperso en el agua.

¿Dónde Estamos Ahora?

El décimo aniversario del derrame de DWH brinda la oportunidad de reflexionar no solo sobre nuestra mejor comprensión de la meteorización fotoquímica del petróleo en el mar, sino también sobre por qué se necesitó un desastre ambiental devastador para lograr tal progreso.

Hay cuatro razones clave por las cuales el derrame de DWH provocó el avance en el conocimiento descrito anteriormente:

1. Un conjunto único de muestras. El petróleo flotó en la superficie del mar durante 102 días, lo que permitió a los investigadores tiempo suficiente para coordinar campañas de muestreo que produjeron un conjunto extremadamente raro y valioso de muestras de petróleo. Estas muestras brindaron oportunidades para validar predicciones basadas en laboratorio sobre las tasas, la importancia relativa y los controles de los procesos de meteorización del petróleo en condiciones naturales de campo.

2. Financiamiento sostenido. El financiamiento sostenido proporcionado por GoMRI y otras fuentes brindó tiempo a los investigadores para hacer seguimiento de los hallazgos iniciales. Los primeros estudios sobre el grado de oxidación [por ejemplo, Aeppli et al., 2012; Lewan et al., 2014; Ruddy et al., 2014] sentaron las bases para estudios posteriores de las tasas y vías de oxidación [Ward et al., 2018a, 2019; Niles et al., 2019] y sus posibles impactos en los modelos de destino y transporte, y las operaciones de respuesta [Ward et al., 2018b; Zito et al., 2020].

3. Avances tecnológicos. Los avances en tecnología demostraron ser críticos. Las tecnologías de percepción remota por satélite proporcionaron estimaciones del área superficial y el espesor de la película de petróleo durante el período de 102 días de derrame superficial [MacDonald et al., 2015], un parámetro clave para estimar las tasas de fotooxidación [Ward et al., 2018a]. La cromatografía de gases bidimensional integral junto con la detección de ionización de llama ayudaron a determinar los precursores de fotooxidación, que resultaron ser principalmente compuestos que no absorben la luz directamente [Hall et al., 2013]. En el otro lado del esquema de reacción, la espectrometría de masas por resonancia de ciclotrón de iones por transformada de Fourier ayudó a determinar los productos de la fotooxidación [por ejemplo, Ruddy et al., 2014; Niles et al., 2019], confirmando que los procesos indirectos rigen la oxidación. Por último, las nuevas tecnologías de separación [Clingenpeel et al., 2017] permitieron a los investigadores aislar e identificar los componentes del petróleo que se producen por la luz solar, se dividen en la interfaz petróleo-agua y promueven la emulsificación [Zito et al., 2020], corroborando la hipótesis de hace décadas de Thingstad y Pengerud [1982].

4. Experiencia diversificada. El derrame de DWH provocó colaboraciones interdisciplinarias y perspectivas sin precedentes sobre la meteorización fotoquímica del petróleo en la superficie del mar. La experiencia representada en estas colaboraciones fue muy amplia, incluidos los químicos del petróleo y del medio ambiente, los modeladores y científicos de respuesta ante derrames de petróleo, los biogeoquímicos y geoquímicos de isótopos. Este enfoque interdisciplinario, en el cual la información fundamental aprendida de la ciencia básica se aplicó para llenar lagunas de conocimiento históricas, fue sin duda una fórmula para el éxito. Además, los enfoques interdisciplinarios adoptados para estudiar el derrame de DWH, como el rastreo de la fotooxidación de petróleo utilizando isótopos de oxígeno estables [Ward et al., 2019], probablemente conducirán a una comprensión más completa del ciclo de otras formas reducidas de carbono, como los contaminantes orgánicos y la materia orgánica natural.

A Dónde Vamos Desde Aquí

Nuestra comprensión enormemente mejorada de la meteorización fotoquímica del petróleo flotante en el mar es un claro ejemplo de los logros alcanzados en la ciencia de los derrames de petróleo en los últimos 10 años, y hemos aprendido mucho más sobre la dinámica de los derrames, la biodegradación, las respuestas de los ecosistemas y otros problemas. Quizás ahora más que nunca, tenemos una excelente oportunidad para continuar avanzando en la ciencia de derrames de petróleo con una investigación sostenida y dirigida. Grupos de trabajo y laboratorios están preparados y listos, las conexiones interdisciplinarias están establecidas, y los resultados de los últimos 10 años proporcionan una hoja de ruta para futuras prioridades de investigación. Estas prioridades incluyen (1) establecer la aplicabilidad de los hallazgos del derrame de DWH a otros escenarios, como los derrames a diferentes profundidades de agua (es decir, aguas superficiales o aguas profundas) o que involucren diferentes tipos de petróleo (es decir, ligero a pesado, dulce a agrio) o en diferentes lugares (por ejemplo, aguas templadas versus aguas de latitudes altas); (2) evaluar el impacto de la fotooxidación en la efectividad de los agentes químicos utilizados en las operaciones de respuesta a derrames de petróleo (p. ej., pastores químicos y agentes de lavado de superficies) que no sean dispersantes; y (3) desarrollar conjuntos de datos empíricos para incorporar procesos fotoquímicos en modelos de destino, transporte y operación de respuesta de derrames de petróleo.

A pesar de los llamados generalizados a frenar el uso mundial del petróleo y a pesar de la reducción del consumo actual y la caída de la demanda ligada a la pandemia de COVID-19, se espera que la demanda mundial aumente de manera constante [Agencia Internacional de Energía, 2019]. Incluso en un escenario en el que se adoptan políticas para frenar la demanda, se pronostica que la demanda no se estabilizará hasta la década de 2030. De ello se deduce que los derrames de petróleo en el mar continuarán ocurriendo y tal vez incluso se aceleren con un cambio en la producción de petróleo en alta mar pasando de recursos de aguas someras (<125 metros de profundidad) hacia recursos en aguas profundas (125–1,500 metros) y aguas ultraprofundas (>1,500 metros), técnicamente más desafiantes. No reduzcamos la velocidad ni la importancia de la investigación sobre derrames de petróleo sólo porque ha pasado una década desde 2010. Mientras más brechas de conocimiento cubramos ahora sobre el destino, el transporte y los impactos de los derrames de petróleo, mejor preparados estaremos para responder al próximo gran derrame.

References

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Información de los autores

Collin P. Ward ([email protected]) y Christopher M. Reddy, Departamento de Química Marina y Geoquímica, Instituto Oceanográfico Woods Hole, Mass.; y Edward B. Overton, Escuela de la Costa y Medio Ambiente, Universidad Estatal de Luisiana, Baton Rouge

This translation was made possible by a partnership with Planeteando. Esta traducción fue posible gracias a una asociación con Planeteando.

Citation: Ward, C. P., C. M. Reddy, and E. B. Overton (2020), , Eos, , https://doi.org/10.1029/. Published on 06 October 2020.
Text © 2020. The authors. CC BY-NC-ND 3.0
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