Los retos vinculados a la variabilidad y el cambio climático en materia de recurso hídrico han llamado la atención de investigadores de la Universidad de Costa Rica (UCR), sobre la necesidad de mejorar nuestra comprensión del complejo ciclo hidrológico.

Una serie de investigaciones  desarrolladas en nuestro país con la participación de la Dra. Ana María Durán Quesada, profesora de la Escuela de Física e investigadora del Laboratorio de Observación del Sistema Climático (LOSiC) y del Centro de Investigaciones Geofísicas (CIGEFI), todos de la UCR, exploran los procesos dominantes del ciclo hidrológico desde los procesos de interacción de la biosfera.

Dichas investigaciones tienen como objetivo el análisis integral del continuo suelo-superficie-atmósfera combinando observaciones y modelado numérico. Estas investigaciones forman parte de la cooperación multidisciplinaria surgida de la implementación de la Red de Isótopos para el Estudio de Ecosistemas Tropicales (ISONET).

Según explicó la Dra. Durán, una de las investigaciones se denomina “Trazando la ruta del agua: Establecimiento de microclimas en el bosque tropical lluvioso”.

Este proyecto plantea analizar el proceso de establecimiento de microclimas mediante la instrumentación y monitoreo de una finca en reforestación en la Península de Osa.

Este estudio, en colaboración con la ONG Osa Conservation, analizará la evolución de la temperatura en superficie, humedad del aire y el suelo y los flujos de respiración del suelo de parcelas en proceso de regeneración bajo diferentes tratamientos en contraste con bosque secundario y bosque primario de la península.

La motivación del proyecto es documentar el establecimiento de las condiciones de temperatura y humedad en función del crecimiento de los árboles bajo los diferentes tratamientos y, de esta manera, generar información de utilidad para comprender el impacto de los cambios en la cobertura vegetal desde la perspectiva climática.

Como ejemplo de este trabajo, la Dra. Durán mencionó la colaboración con un proyecto del Dr. Christian Birkel del Observatorio del Agua y el Cambio Global, de la Escuela de Geografía de la UCR, en conjunto con la Universidad de Brunswick, Alemania, que se desarrolla en la Estación Experimental Forestal Horizontes, en el cantón de Liberia, Guanacaste.

Detalló que en este proyecto,  “nuestro grupo busca determinar la respuesta de la humedad y flujos de suelo de vapor de agua y CO2 a la estacionalidad de la precipitación. De esta manera se busca identificar procesos clave en el proceso de desarrollo de las condiciones secas en ecosistemas limitados por el agua”. 

De acuerdo a la investigadora, “el país es un laboratorio natural único para explorar procesos vinculados al uso del agua en diferentes ecosistemas. Características que han motivado el desarrollo de proyectos en que se analiza el impacto de la precipitación sobre los flujos superficiales de CO2 y metano en turberas tropicales, como el proyecto de la M.Sc. Gabriela Pérez, así como el uso del agua en sistemas agroforestales estudiado en la investigación del Dr. Marco Gutiérrez.

La Dra. Durán enfatizó que, “al contar con una heterogeneidad tan alta de sistemas en el país, es necesario realizar mediciones en las diferentes zonas para generar información de impacto que nos permita una mejor identificación de los procesos más importantes, ya que todos los sistemas se asocian a interacciones diferentes ante los mismos cambios de variables como temperatura y precipitación”.

Trazadores isotópicos

La especialista explicó que el método de los trazadores isotópicos, principalmente isótopos estables de agua, forman parte importante la investigación gracias a la colaboración con el Laboratorio para Isótopos Estables (LIE) de la Universidad Nacional y el apoyo del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) para el desarrollo del proyecto “Isótopos estables para el monitoreo de la variabilidad y cambio en el sistema climático terrestre”.

Sobre este proyecto explicó que, ya sea a nivel climático, en la agricultura o la ecología, los isótopos de diversos elementos permiten rastrear el origen y recorrido de dicho trazador en el sistema. “Específicamente, los isótopos estables de precipitación se utilizan para identificar las fuentes de humedad asociadas con la precipitación, cambios de fase ocurridos durante el desarrollo de sistemas precipitantes y variaciones en la evapotranspiración durante el desarrollo de una sequía. De esta forma podemos estudiar la historia, y las distintas interacciones en el ciclo de vida de las masas de aire y la precipitación”.

Utilizando observaciones meteorológicas tradicionales, medición de flujos superficiales, técnicas micro-meteorológicas, análisis isotópico y modelado numérico, el grupo de investigación en procesos de interacción en la biosfera, liderado por la Dra. Durán en colaboración con investigadores de diversas unidades e instituciones, monitorea una variedad de sistemas.

Estos incluyen desde el bosque seco en Guanacaste hasta el bosque tropical lluvioso en la Península de Osa, pasando por cafetales en el Valle Central y turberas en la Zona Norte del país.

El objetivo final según la Dra. Durán, es demostrar “con datos científicos el impacto de las iniciativas de conservación y mejores prácticas de cultivo.

"Poder medir el impacto que estas medidas tienen para mantener condiciones que nos permitan mitigar y reducir el impacto de la variabilidad y el cambio climático, es un aspecto fundamental para el desarrollo de política pública, en los cual la academia juega un papel determinante”.

Composición isotópica 

Sobre esta técnica, la Dra. Durán explicó que cuando se combina la información isotópica con otra información como la fisiológica de las plantas y la meteorológica, entonces es posible identificar cuál es la ruta que ha seguido y de dónde proviene determinada  agua. Por ejemplo, si se tiene “una muestra de agua de lluvia, es posible identificar  y yo puedo determinar si puede estar asociada con una masa de aire que ha evaporado de una fuente oceánica, si es agua que viene transportada del mar Caribe o del océano Pacífico, o puede determinarse si más bien está asociada con precipitación  que se generó localmente, es decir que esa agua tiene como origen, no una fuente oceánica o cuerpo de agua, sino más bien evapotranspiración de una superficie determinada.” 

De forma similar, esta técnica ayuda a esclarecer el recorrido que tienen los nutrientes dentro de las plantas, combinando por ejemplo, la información isotópica de isótopos estables de agua, carbono y nitrógeno. “De forma similar  en las plantas se puede identificar cómo es el transporte de los nutrientes a través de las ramas, cómo se da el transporte de nutrientes desde la parte inferior hasta los frutos o hasta las flores.

Es posible inferir a través de esa información, los requerimientos de las plantas en términos de agua y por tanto esta información puede transferirse a los productores como un valor de la necesidad de irrigación”.

Obtener este tipo información detallada sobre el uso eficiente del agua en los sistemas, que pueden ser bosques o cultivos, permite a la vez informar a quienes toman las decisiones de manejo y riego de estos sistemas, cómo deben usar el agua de manera más eficiente.

La Dra. Ana María Durán Quesada obtuvo el Bachillerato en Física en la UCR y la Maestría en Meteorología, Oceanografía, Física  y Cambio Climático en la Universidad de Vigo en España, donde también obtuvo el Doctorado en Física Aplicada.

Es profesora del Departamento de Física Atmosférica, Oceánica y Planetaria de la Escuela de Física de la UCR.