18 junio 2011

La utilización de sensores para observaciones ambientales (III)


Ver 2ª PARTE

Escenario de ríos, estuarios y aguas costeras

El control de la calidad del agua y los programas de modelización proporcionan buenas oportunidades para los observatorios de sensores ambientales.  Algunas aplicaciones son las siguientes:

·         Variaciones de flujo de nitratos ribereños significativos.
·         N atmosférico transportado en ríos asociados con eventos hidrológicos.
·         Pérdidas de nitratos asociados a suelos hídricos e infiltraciones en la orilla.
Tecnologías
Las tecnologías utilizadas en estos escenarios consisten en el uso de sensores junto con módems y teléfonos móviles que transmiten datos de temperatura, niveles de oxígeno disuelto, pH, salinidad, turbidez, clorofila, y otros pigmentos.

Algunos ejemplos de aplicaciones corrientes son las siguientes:

·       Evaluación de la carga diaria máxima total de nitrógeno y con criterios de calidad del agua para clorofila.
·       Control de concentraciones de contaminantes durante inundaciones extremas y huracanes.
·       Utilización de los sensores para proporcionar sistemas de alarma efectivos asociados con derrames de contaminantes en agua.
Los proyectos innovadores sobre sensores para estos escenarios incluyen perfiladores de corriente Dopler y sensores de nutrientes inorgánicos en tiempo real para complementar los esfuerzos de modelación.
Escenario de lagos
Los ecólogos acuáticos y limnólogos también están inmersos en el desarrollo y despliegue de tecnologías de sensores apropiadas. Podemos considerar tres categorías:

·      Acoplamiento entre zonas pelágicas, litorales y profundas, entre lagos y la atmósfera, y entre lagos y su cuenca. Comprendiendo el movimiento de agua, solutos, y partículas a través de los límites de lagos o dentro de diferentes regiones de un lago es clave para comprender el papel que el lago juega en ciclos elementales e hidrología a nivel de paisaje. La cuantificación de los flujos y almacenamiento de solutos y partículas tales como carbono, fósforo, nitrógeno, oxígeno, y mercurio es esencial para dirigir cuestiones de cambio climático y los efectos de eutrofización y especies introducidas en la disrupción de los ciclos de nutrientes y estructura de alimentos. Para comprender el acoplamiento físico y biológico y el acoplamiento de mecanismos de turbulencia entre lagos y la atmósfera, los investigadores serán capaces de cuantificar flujos en interfaces.

·      Factores controlando la dinámica de la estructura de comunidades bióticas en lagos. El conocimiento mejorado de estructura de comunidad y sus relaciones para funciones de ecosistemas es especialmente importante para investigadores para comprender comunidades microbiológicas y los efectos de especies invasivas en lagos.

·      El papel de eventos episódicos influenciando la física, química, y biología de lagos. Huracanes, tifones o tormentas producen altas tasas de escorrentías y causan altas cargas de nutrientes, sedimentos suspendidos, y carbono orgánico en partículas y disuelto y otros solutos y contaminantes.
Las mediciones oceanográficas recientes usan sensores acústicos y ópticos de alta resolución; conductividad, temperatura y perfiladores de profundidad.
Aunque varios tipos de sensores están comercialmente disponibles para estudios de lagos, deben mejorarse sensores para cumplir los requerimientos de estas aplicaciones. Las siguientes clases son de especial importancia:
·      Sensores capaces de detectar estructura biótica: Las comunidades microbianas pueden cambiar rápidamente en respuesta a cambios en el medio ambiente.
·      Sensores químicos de la siguiente generación.

Escenario de aguas subterráneas

El suministro de aguas subterráneas está cada vez más degradado por el uso intensivo de recursos. Los efectos de minas, residuos industriales y domésticos, y la actividad agrícola está amenazando el suministro de agua potable.
Las mayores necesidades de los sensores de aguas subterráneas son las siguientes:
·      Mejor resolución espacial y temporal de las redes de sensores, que requerirán mediciones horizontales y verticales discretas más frecuentes.

·      Mayor y mejor calidad en las mediciones de sensores biológicos y químicos para comprender las reacciones bioquímicas e identificar niveles potencialmente perjudiciales para los humanos y otras biotas.

Las redes de sensores de alta resolución proporcionan una perspectiva de los procesos biogeoquímicos que afectan la calidad del agua potable. Las dos cuestiones básicas que los científicos intentan responder son las siguientes:

1.       Qué reacciones de flujo, biológicos y geoquímicos ocurren en las aguas subterráneas en el lugar exacto de la actividad del proceso.

2.       Cómo satisfacer la necesidad de mediciones no invasivas que no alteran las condiciones químicas y biológicas en el sitio de observación.

En sensores in situ se necesitan mediciones básicas de químicos específicos y patógenos tales como E-coli. Tecnologías emergentes tales como la tecnología de mediciones a nivel de microescala, y sensores que emplean sensores en forma de films fabricados en polímeros. Sin embargo, requieren aún más desarrollo para proporcionar fiabilidad a largo plazo, amplio rango dinámico, y sensibilidad a un amplio espectro de especies que necesitan los investigadores. Deben desarrollarse también sensores que pueden usarse en aguas saturadas y no saturadas.

Como en otros escenarios, la implementación de redes de sensores de aguas subterráneas son capaces de medir parámetros básicos como presión, temperatura y conductividad eléctrica.

Nuevas tecnologías de sensores desarrollados en otras industrias pueden ser explotadas para la caracterización de aguas subterráneas. Por ejemplo registro de resonancia magnética nuclear (NMR).

Escenario de agricultura de precisión

Las cuestiones de ciencia e ingeniería asociadas con la agricultura de precisión están dirigidas a incrementar la eficiencia y la competitividad. La agricultura de precisión está desarrollándose rápidamente desarrollando una aproximación intensiva en información, y en gran medida son útiles los despliegues de redes de sensores y sensores terrestres.

La agricultura de precisión es un sistema de gestión de la información relativa a las variaciones espaciales y temporales en la producción y calidad de los cultivos, humedad del suelo, fertilidad del suelo y ataques animales y malas hierbas. La información se colecta usando GPS, sensores remotos, sensores de cultivos y suelo, y muestreo de suelos. La toma de decisión se lleva a cabo usando estadística especial y software de sistemas expertos. El despliegue de sensores multiescala está ya ayudando a muchos granjeros a gestionar mejor sus cultivos y disminuye el impacto de la agricultura en ecosistemas adyacentes. Los sensores pueden actuar sobre la variabilidad espacial de los cultivos, distribución de la producción y necesidades en término de nutrientes. Esta información es importante y puede incrementar la eficiencia de las granjas.

Hay necesidades claras e inmediatas para mejorar los sensores en agricultura de precisión. Necesidades obvias para mejorar la humedad del suelo, inorgánicos disueltos tales como nitrógeno y fósforo, y orgánicos tales como herbicidas y pesticidas. Los requerimientos de los sensores son menos obvios cuando buscamos objetivos a corto plazo.

Los grupos heterogéneos de sensores, van desde detectores universales sofisticados  (ej. Espectrómetros de masa) a nodos simples (ej. Temperatura). Un cluster de sensores caracteriza y responde a modelos espaciotemporales en clima, hidrología, presión, movimiento, humedad del suelo, mátrico potencialdel suelo y flujos, ecofisiología de plantas, malas hierbas y plagas (bacterias, hongos, insectos, ratones).

Entre las aplicaciones de los sensores en la agricultura de precisión podemos indicar por ejemplo aquellas que identifican malas hierbas y actúan para aplicar herbicidas en tiempo real para reducir el uso de herbicidas y ahorrar tiempo. Los sensores detectan también la concentración de iones en las aguas subterráneas y el suelo (ej. El ciclo del nitrógeno), y los sensores son capaces de analizar compuestos orgánicos volátiles. Consecuentemente, hay un interés creciente en la miniaturización tanto de sensores químicos altamente especializados como de sensores químicos generalistas.

Bilbiografía: Sensors for Envornmental Observatories. Report of the NSF-Sponsored Workshop. December 2004
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