O LARA utiliza de métodos analíticos nucleares e isotópicos para realizar estudos de ponta no âmbito da área de ciências ambientais. Para tanto, ele utiliza a aplicação simultânea de técnicas inovadoras, tais como Fallout RadioNuclides (FRN: ⁷Be, ¹³⁷Cs, ²¹⁰Pb_ex ),Compound Specific Stable Isotope (CSSI), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) e Accelerator Mass Spectrometry (AMS). Sendo que esta última está disponível no LAC.

Radionuclídeos ambientais, conhecidos como Fallout RadioNuclides (FRN), podem ser utilizados como rastreadores ou traçadores, os quais têm se tornado ferramentas tecnológicas extremamente importantes na compreensão de diversos fenômenos da natureza. Sob este ponto de vista, radioisótopos naturais e artificiais têm sido usados no LARA na compreensão de ecossistemas terrestres e aquáticos, da evolução de suas espécies, além da investigação de padrões e frequência de perturbações naturais e impactos antrópicos nestes ecossistemas e suas restaurações. Estes podem ser medidos, por exemplo, através da espectrometria das radiações alfa e gama, utilizando detectores semicondutores de silício e de germânio hiper-puro (HPGe) associado a blindagens de ultrabaixo fundo, respectivamente. Medidas da radioatividade gama natural, por exemplo, têm formado a base para estudos envolvendo processos atmosféricos, mapeamento litológico de rochas e sedimentos, exploração mineral, transporte de sedimentos (incluindo a compreensão de seus efeitos naturais e impactos tanto sobre a construção quanto a erosão costeira, além da compreensão da evolução de sua ocupação pré-histórica). Radionuclídeos artificiais, por outro lado, têm sido utilizados no estudo de fatores bióticos e abióticos, que atuam sobre nossos ecossistemas naturais e seminaturais, visando compreender, por exemplo, a dinâmica de solo, preservação de recursos hídricos, além de estudos sobre o acúmulo e distribuição de nutrientes vegetais e substâncias radioativas em plantas tropicais e subtropicais. Medidas da radiação alfa possuem grande aplicabilidade em estudos geocronológicos (tais como a datação de sedimentos, materiais fósseis, corais etc.), podendo ser aplicadas no uso de traçadores isotópicos de diversos processos como diferenciação de massas de água, origem e mistura de águas subterrâneas e de superfície. Em especial, esta técnica possibilita a datação de sedimentos de períodos recentes (últimos 100 anos, sendo um período marcado pelas maiores perturbações de origem antrópica no ambiente, ou seja, poluição), servindo, então, como um complemento para a técnica de AMS.

Assim, o conhecimento sobre a circulação e o acúmulo de isótopos instáveis em distintas partes de um ecossistema tem promovido uma notável oportunidade para a caracterização espacial e temporal de processos cruciais, que ocorrem ao mesmo tempo. A erosão do solo e o depósito de seus sedimentos associados, por exemplo, podem ser aceleradas por diversas atividades humanas (desflorestamento, o sobre-pastoreio, alterações em cursos de rios, mudanças no uso da terra e das práticas agrícolas não sustentáveis) como por mudanças climáticas. O desflorestamento da Amazônia, por exemplo, tem indicado sinais claros de mudanças no clima brasileiro, devido ao aumento da incidência e intensidade de eventos de precipitação de chuvas na região sudeste. A ocorrência simultânea destes efeitos foi recentemente observada nas graves consequências ambientais ocorridas na região serrana do Rio de Janeiro, bem como em vários locais da região sul de nosso país. Desse modo, efeitos da erosão do solo e de mudanças climáticas atentam a problemas que não se resumem somente à conservação do solo, mas que impactam sobre o ecossistema como um todo. A gravidade deste problema e o reconhecimento do estado crítico em que se encontram vários ecossistemas frágeis têm proporcionado uma busca de metodologias de diagnóstico eficientes, tal como é o uso de radiotraçadores ambientais ou FRN. Dentre os FRN's, que podem ter suas concentrações determinadas pela técnica de espectrometria gama e utilizados como rastreadores de fenômenos associados ao transporte atmosféricos de aerossóis quanto as perturbações ocorridas em ambientes terrestres, estão ⁷Be, ¹³⁷Cs, ²¹⁰Pb_ex. ¹³⁷Cs (E_γ = 0.662 MeV, T_½ = 30.2 anos) é um radionuclídeo antropogênico, produto da fissão nuclear, injetado no meio ambiente através de ensaios e acidentes nucleares. Uma vez liberado para a estratosfera entre as décadas de 50 e 70, foi distribuído globalmente antes de ser depositado na superfície do planeta, principalmente em associação com a precipitação atmosférica (chuva, neve e deposição seca). A distribuição espacial de sua precipitação radioativa (fallout) tem sido determinada primariamente em função da localização da ocorrência do uso de armas nucleares, pelo padrão da circulação estratosférica e pela quantidade de precipitação atmosférica anual. Desta forma, há uma nítida demarcação latitudinal, de tal forma que a precipitação radioativa total do ¹³⁷Cs no hemisfério norte foi substancialmente maior do que no hemisfério sul. O padrão global do fallout de ¹³⁷Cs proveniente do uso de armas nucleares indica que sua concentração no solo varia entre 160 e 3200 Bq/m², dependendo da latitude. Por ouro lado, a precipitação radioativa de ¹³⁷Cs proveniente do acidente de Chernobyl, o qual afetou várias áreas da Europa, aumentou em alguns locais os inventários já existentes em várias ordens de magnitude. Na região central da Rússia, por exemplo, os inventários de ¹³⁷Cs após o acidente de Chernobyl atingiram 500 kBq/m²>. Atualmente, o padrão global da precipitação radioativa do ¹³⁷Cs, principalmente ao redor do Japão, deve sofrer algumas mudanças devido ao acidente ocorrido em Fukushima. Contudo, estas características e sua meia-vida da ordem de 30 anos, o fazem como um eficiente traçador de solo, que fornece informações das taxas de redistribuição do solo a intervalos de tempo da ordem de 50 anos. Assim, ele fornece uma visão geral dos problemas de erosão e sedimentação, sendo extensivamente usado em medidas de redistribuição de solo em planícies e deposição de sedimentos em lagos, represas e áreas alagadas.

O ²¹⁰Pb é um isótopo radioativo natural geogênico (E_γ = 46.5 keV, T_½ = 22.3 anos). Origina-se através do decaimento de ²³⁸U (²²⁶Ra), que é encontrado na maioria dos solos e rochas, produzindo ²²²Rn, um gás nobre de meia vida curta (T_½ = 3.8 dias). A maior parte do ²²²Rn decai para ²¹⁰Pb no solo, produzindo ²¹⁰Pb_fixo, que está essencialmente em equilíbrio com o ²²⁶Ra pai. No entanto, parte do ²²²Rn difunde para a atmosfera por difusão e advecção. A vida média de ²²²Rn é geralmente comparável ao tempo de trânsito das massas de ar nos principais continentes importantes e/ou oceanos, mas muito menor em comparação com a escala de tempo de mistura da atmosfera e, portanto, é amplamente disperso na atmosfera. Durante o seu trajeto, ele decai rapidamente para alguns núcleos de meia-vida mais longa, como o ²¹⁰Pb. Este ²¹⁰Pb é, então, depositado no solo, através de processos de precipitação de aerossóis. Uma vez que não está em equilíbrio com o ²²⁶Ra pai, é comumente denominado ²¹⁰Pb em excesso (²¹⁰Pb_ex ), com o objetivo de distingui-lo do ²¹⁰Pb_fixo. Em contraste com a formação radioativa do ¹³⁷Cs, a formação de ²¹⁰Pb_ex é essencialmente constante ao longo do tempo, devido sua origem natural. Contudo, o padrão global de precipitação radioativa do ²¹⁰Pb_ex também é caracterizada pela variabilidade espacial, devido à predominância da circulação das massas de ar no sentido Leste-Oeste. Isto resulta numa menor precipitação radioativa de ²¹⁰Pb_ex nas regiões oeste dos continentes, uma vez que as massas de ar viajam sobre os oceanos e tem uma menor oportunidade adquirir ²¹⁰Pb_ex. Por outro lado, a precipitação radioativa do ²¹⁰Pb_ex é muito maior nas regiões leste dos continentes, onde as massas de ar viajam ao longo do interior dos continentes. Estas características do ²²²Rn e seus produtos de decaimento (principalmente ²¹⁰Pb) permitem que eles sejam usados como traçadores de vários processos atmosféricos, dentre eles incluem, os mecanismos de origem e escalas temporais do transporte de massas de ar, taxas de remoção de aerossóis e fontes de poeira continental em uma massa de ar.

⁷Be (E_γ = 0.478 MeV, T_½ = 53.3 dias) é um radionuclídeo natural cosmogênico produzido na estratosfera e alta troposfera a partir de interações nucleares entre núcleos de nitrogênio e oxigênio com a radiação cósmica. Assim, a produção de ⁷Be depende do fluxo de raios cósmicos, que varia com a latitude, altitude e a atividade solar. Contudo, pode-se supor que, numa determinada área, a concentração atmosférica de ⁷Be pode ser considerada uniforme. Uma vez produzidos na atmosfera, similarmente aos outros FRN, ⁷Be associa-se imediatamente com particulados atmosféricos (aerossóis entre 0.07 – 2 μm de diâmetro), sendo removido da atmosfera através do arraste deste particulado por eventos de precipitação atmosférica seca e úmida. A precipitação úmida (chuva ou neve) responde a cerca de 97 % do fluxo de deposição total do ⁷Be na superfície do solo. Desde a descoberta da produção de ⁷Be pelos raios cósmicos, diversos trabalhos de pesquisa tem sido realizados sobre sua produção, fluxo entre ecossistemas terrestres e oceanos, distribuição e inventário em solos, neve, sedimentos e vegetação, além do seu comportamento geoquímico.

Uma vez depositados no solo, ⁷Be, ¹³⁷Cs, ²¹⁰Pb_ex são rápida e fortemente absorvidos pela matriz do solo, sendo que o vento e a água são os seus agentes dominantes de transporte. A eficácia da utilização de radionuclídeos ambientais está baseada em sua escala temporal. A determinação dos padrões de redistribuição de ⁷Be, ¹³⁷Cs, ²¹⁰Pb_ex no solo fornecem informações das taxas de redistribuição do solo a curto (< 6 meses), médio (~ 50 anos) e a grandes intervalos de tempo (~ 100 anos), respectivamente. Alterações nestas taxas são frequentemente associadas a mudanças no uso da terra, inundações ou ressacas após tempestades severas. Já o ⁷Be por apresentar uma meia-vida muito curta, ele possui grande potencial para a investigação de processos de erosão, que ocorrem em pequenas escalas de tempo, particularmente para eventos associados a tempestades individuais ou curtos períodos de chuvas fortes e principalmente em solos secos, sem vegetação ou encostas, onde o efeito da erosão é mais agravante. Por sua vez, também possui grande potencial para avaliar a eficácia das mudanças no tipo de cultura ou nas práticas de manejo para a redução da erosão do solo. Geralmente, ⁷Be fixa-se rapidamente nos primeiros milímetros da superfície do solo e raramente é encontrado em profundidades superiores a 3 cm. Sua meia-vida curta não permite que ele tenha tempo para mover-se para camadas mais profundas do solo. Assim, se for encontrado em camadas mais profundas, sua presença geralmente está associada ao movimento descendente das partículas do solo, através de fissuras, bioturbação e/ou processos de cultivo. Para estas análises, o LARA dispõe de dois sistemas, baseados na utilização de detectores de germânio hiper-puro (HPGe), que trabalham na região de energia gama de 3 a 3000 keV. Desta forma, os radionuclídeos ambientais apresentam todas as características necessárias para serem usados como traçadores na determinação e quantificação espacial e temporal de processos cruciais, tais como os efeitos de mudanças climáticas associados a atividades não sustentáveis, que nitidamente estão ocorrendo na América do Sul.

Análises elementares (Bulk) e de seus compostos orgânicos permitem o uso de biomarcadores baseados em razões isotópicas de carbono (δ¹³C), deutério (δ²H), nitrogênio (ő¹⁵N), oxigênio (δ¹⁸O) e enxofre (δ³⁴S). Isto se deve ao fato de que a matéria orgânica presente em sedimentos e outras matrizes ambientais apresenta uma série de indicadores, que podem ser utilizados na reconstrução paleoambiental e ambiental dos sistemas estudados. Trata-se de uma complexa mistura de lipídeos, carboidratos, proteínas, ácidos graxos e outros componentes, produzidos por organismos que podem fornecer informações sobre variações ambientais locais ou regionais, ocorridas naturalmente ou induzidas pelo Homem. Atualmente a técnica de CSSI (Compound-Specific Stable Isotope), acoplada a análises orgânicas elementares, é considerada o que há de mais inovador em análises isotópicas. Através de medições das proporções de ocorrência natural de isótopos estáveis em diversos compostos dos indivíduos, que compõe a matéria orgânica presente em amostras sedimentares, pode-se identificar com uma grande margem de segurança a origem da matéria sedimentar. Por exemplo, podem ser verificadas diferentes assinaturas (“impressões digitais”) isotópicas de carbono em indivíduos oriundos de espécies de plantas C3 e C4, organismos bentônicos, fito e zooplanctônicos, etc. Assim, estes compostos orgânicos são cruciais na identificação e quantificação de alterações em ecossistemas terrestres e marinhos, além de testar o quanto a decomposição da matéria orgânica e a fisiologia microbiológica são sensíveis à variação da temperatura. Adicionalmente, a medidas das razões isotópicas de carbono (δ¹³C), são essenciais em estudos de gases, tais como CO₂ e CH₄, que estão relacionados com a ocorrência do efeito estufa. Em linhas gerais, o sistema CSSI é formado por um ASE (Accelerated Solvent Extraction), um GC-C-IRMS (Gas Chromatography Combustion Isotope Ratio Mass Spectrometry) e um EA (organic Elemental Analyzer). Este permite determinar a razão de isótopos estáveis leves em matrizes e em seus compostos individuais separados a partir de misturas complexas de seus componentes. Isto se deve ao fato de que a proporção desses isótopos em materiais naturais tende a variar ligeiramente durante a ocorrência de processos químicos, físicos e biológicos. De tal forma que a proporção relativa de isótopos de compostos específicos é significativamente correlacionada com importantes processos ambientais.

Por último, destaca-se a utilização de técnica de FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). A espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) é uma importante técnica de caracterização de materiais, sendo muito utilizada na identificação da natureza química de vários tipos de materiais, tais como, solos e sedimentos, atuando também em estudos de revestimentos, materiais plásticos, betumes e adjuvantes. É um método alternativo de baixo custo e não destrutiva das amostras. Análises de processos em tempo real pela técnica FTIR permite análises quantitativas de processos físicos e químicos. Pelo uso de uma sonda e espectrômetro remotos, o FTIR permite análises de rendimento de produto, impurezas, cinética, mecanismo de reação, ponto final de reação, etc. Em áreas ambientais, ele tem grande aplicação como método de fingerprinting, podendo ser utilizado como ferramenta de qualidade na análise de água. Este método permite a identificação de sedimentos hidrográficos, baseada na análise dos sedimentos transportados em suspensão, que possibilitará avaliar as áreas que possam contribuir para uma melhor produção agrícola e fazer inferências sobre o potencial poluidor desses sedimentos, contribuindo para a sustentabilidade do processo. Esta mesma técnica permite a avaliação da parte orgânica em relação à inorgânica de amostras de solo e sedimento, que pode ser também utilizada na reconstrução paleoambiental e ambiental dos sistemas estudados, permitindo fornecer informações sobre variações ambientais locais ou regionais, ocorridas naturalmente ou induzidas pelo Homem. Assim, compostos orgânicos e inorgânicos são cruciais na identificação e quantificação de alterações em ecossistemas terrestres e marinhos, além de testar o quanto a decomposição da matéria orgânica e a fisiologia microbiológica são sensíveis à variação da temperatura.

Desta forma, o sistema FTIR também permite caracterizar e interpretar diversos amostras orgânicas e minerais previamente analisadas pelas técnicas de ¹⁴C e ²¹⁰Pb, uma vez que permite obter amplo espectro infravermelho da absorção, emissão, fotocondutividades, espalhamento Raman de sólidos, líquidos ou gases. Isto nos possibilita complementar a realização de diversos estudos ambientais, uma vez que nos permite prever uma grande variedade de propriedades químicas e físicas do solo e sedimentos que estão intimamente relacionados com as propriedades de massa de solo (argila, matéria orgânica, teor de umidade, capacidade de catiônica, mineralogia etc.). Em resumo, as quatro técnicas funcionando juntas e de forma ordenada, permitem grandes avanços para a datação e caracterização de fenômenos ambientais ligados a efeitos de mudanças globais pretéritas e modernas.