La cámara CLOUD que ha permitido el descubrimiento. Foto: CERN
Científicos británicos han resuelto uno de los problemas más difíciles y de larga duración en la ciencia atmosférica: entender cómo se forman las partículas en la atmósfera, informa la Universidad de Leeds en un comunicado.
Los resultados de esta investigación, publicados en la revista Science, detallan la primera simulación por ordenador de la formación de partículas atmosféricas que se basa totalmente en datos experimentales. La investigación fue posible gracias a un sofisticado laboratorio llamado CLOUD, con sede en el centro de investigación CERN en Suiza.
Las nubes son un elemento central de los modelos climáticos porque reflejan la luz del Sol hacia el espacio y limitan así la cantidad de energía que proviene del Sol. Sin embargo, el papel que juegan las nubes en el cambio climático es uno de los factores menos comprendidos hasta ahora.
Las nubes en la atmósfera consisten en pequeñas gotitas que se forman cuando el agua se condensa alrededor de pequeñas partículas en la atmósfera llamadas "aerosoles". La comprensión de cómo se forman los aerosoles es por lo tanto vital para entender la formación de nubes.
Durante más de 30 años, los científicos han construido simulaciones por ordenador de los gases atmosféricos sobre la base de mediciones de las velocidades de reacción química en un laboratorio. Esta capacidad ha sido esencial para nuestra comprensión actual de la atmósfera, incluida la destrucción de la capa de ozono.
Sin embargo, hasta ahora el mismo nivel de comprensión no ha sido posible para las partículas de aerosol presentes en la atmósfera, debido a los enormes desafíos involucrados en la medición fiable de la formación de partículas en un laboratorio.
Los resultados de esta investigación, publicados en la revista Science, detallan la primera simulación por ordenador de la formación de partículas atmosféricas que se basa totalmente en datos experimentales. La investigación fue posible gracias a un sofisticado laboratorio llamado CLOUD, con sede en el centro de investigación CERN en Suiza.
Las nubes son un elemento central de los modelos climáticos porque reflejan la luz del Sol hacia el espacio y limitan así la cantidad de energía que proviene del Sol. Sin embargo, el papel que juegan las nubes en el cambio climático es uno de los factores menos comprendidos hasta ahora.
Las nubes en la atmósfera consisten en pequeñas gotitas que se forman cuando el agua se condensa alrededor de pequeñas partículas en la atmósfera llamadas "aerosoles". La comprensión de cómo se forman los aerosoles es por lo tanto vital para entender la formación de nubes.
Durante más de 30 años, los científicos han construido simulaciones por ordenador de los gases atmosféricos sobre la base de mediciones de las velocidades de reacción química en un laboratorio. Esta capacidad ha sido esencial para nuestra comprensión actual de la atmósfera, incluida la destrucción de la capa de ozono.
Sin embargo, hasta ahora el mismo nivel de comprensión no ha sido posible para las partículas de aerosol presentes en la atmósfera, debido a los enormes desafíos involucrados en la medición fiable de la formación de partículas en un laboratorio.
Modelo global
Para resolver en este enigma, los científicos británicos elaboraron un modelo global fisicoquímico de los aerosoles integrando los datos más recientes de la experiencia CLOUD instalada en el CERN.
El objetivo CLOUD es evaluar todos los parámetros que participan en la formación de los aerosoles. A través del programa CLOUD, los científicos simulan en laboratorio las condiciones atmosféricas que participan en la formación de los aerosoles: la presión, la temperatura y los componentes químicos de los aerosoles.
El experimento CLOUD puede medir la "nucleación" de nuevas partículas atmosféricas, es decir, cuando ciertas moléculas de la atmósfera se agrupan y crecen para formar nuevas partículas, en una cámara especialmente diseñada bajo condiciones ambientales extremadamente controladas. La nucleación es importante porque, por las estimaciones actuales, aproximadamente la mitad de todas las gotas de las nubes están formadas en partículas de aerosol que fueron creados de esta manera.
A través del modelo global, los investigadores comprobaron que la producción de aerosoles de 3 nanómetros a una altitud inferior a los 15 kilómetros se reparte entre los diferentes procesos implicados de la manera siguiente: 14% para la nucleación binaria, 65% de nucleación ternaria inorgánica y 21% para la nucleación ternaria orgánica. El modelo global es concordante con las observaciones atmosféricas, tanto de alta como de baja altitud.
La experiencia CLOUD ayuda también a los aceleradores de partículas a simular los rayos cósmicos, que son partículas de alta energía que bombardean la atmósfera y que juegan también un papel importante en la formación de aerosoles, ya que los rayos cósmicos engendran en la atmósfera iones que facilitan la síntesis de las partículas.
Este estudio de la Universidad de Leeds estima que el 28% de los aerosoles son producidos por una nucleación inducida por un ion. Además, en las regiones atmosféricas en las que la tasa de producción de aerosoles es débil, dominan los procesos que implican acciones de los iones.
Rayos cósmicos y clima
El estudio permite eliminar asimismo una hipótesis según la cual existe un vínculo entre los rayos cósmicos y el calentamiento global. El flujo de rayos cósmicos varía con la actividad solar y en particular con su ciclo de 11 años. En el período máximo de su actividad, el Sol emite un viento solar más intenso que reduce el flujo de rayos cósmicos que bombardean la atmósfera terrestre.
Algunos investigadores habían sugerido que el ligero aumento de la actividad solar en los últimos decenios había disminuido la producción de aerosoles creados por los rayos cósmicos y por ende la cobertura de nubes también había sido reducida.
En consecuencia, según esta hipótesis, la disminución de la radiación solar habría contribuido al aumento de la temperatura media global al provocar la reducción de la nubosidad. Diversos estudios que analizaron la actividad solar en los últimos decenios han demostrado sin embargo que no hay una relación directa entre las variaciones de rayos cósmicos y la cobertura nubosa, o que esta relación era mínima.
Usando los datos de la experiencia CLOUD, los científicos de la Universidad de Leeds han calculado, a partir de sus observaciones, las tasas de producción de aerosoles vinculadas al flujo de rayos cósmicos correspondientes al mínimo y máximo de la actividad solar. Y han descubierto una variación de sólo el 0,1%, por lo que la importancia del Sol en la producción de aerosoles es insignificante comparada con la influencia de la actividad humana.
Otra cuestión que se plantea en los escenarios del calentamiento global, es cómo se modula la producción de aerosoles por estos procesos de nucleación. Los investigadores calcularon el impacto de un escenario correspondiente a una elevación de 2ºC en la temperatura media global de aquí al año 2100 y observaron una disminución de al menos un 1% en la producción de aerosoles. Este efecto es relevante comparado con el papel de los gases de efecto invernadero en el calentamiento global.
Para resolver en este enigma, los científicos británicos elaboraron un modelo global fisicoquímico de los aerosoles integrando los datos más recientes de la experiencia CLOUD instalada en el CERN.
El objetivo CLOUD es evaluar todos los parámetros que participan en la formación de los aerosoles. A través del programa CLOUD, los científicos simulan en laboratorio las condiciones atmosféricas que participan en la formación de los aerosoles: la presión, la temperatura y los componentes químicos de los aerosoles.
El experimento CLOUD puede medir la "nucleación" de nuevas partículas atmosféricas, es decir, cuando ciertas moléculas de la atmósfera se agrupan y crecen para formar nuevas partículas, en una cámara especialmente diseñada bajo condiciones ambientales extremadamente controladas. La nucleación es importante porque, por las estimaciones actuales, aproximadamente la mitad de todas las gotas de las nubes están formadas en partículas de aerosol que fueron creados de esta manera.
A través del modelo global, los investigadores comprobaron que la producción de aerosoles de 3 nanómetros a una altitud inferior a los 15 kilómetros se reparte entre los diferentes procesos implicados de la manera siguiente: 14% para la nucleación binaria, 65% de nucleación ternaria inorgánica y 21% para la nucleación ternaria orgánica. El modelo global es concordante con las observaciones atmosféricas, tanto de alta como de baja altitud.
La experiencia CLOUD ayuda también a los aceleradores de partículas a simular los rayos cósmicos, que son partículas de alta energía que bombardean la atmósfera y que juegan también un papel importante en la formación de aerosoles, ya que los rayos cósmicos engendran en la atmósfera iones que facilitan la síntesis de las partículas.
Este estudio de la Universidad de Leeds estima que el 28% de los aerosoles son producidos por una nucleación inducida por un ion. Además, en las regiones atmosféricas en las que la tasa de producción de aerosoles es débil, dominan los procesos que implican acciones de los iones.
Rayos cósmicos y clima
El estudio permite eliminar asimismo una hipótesis según la cual existe un vínculo entre los rayos cósmicos y el calentamiento global. El flujo de rayos cósmicos varía con la actividad solar y en particular con su ciclo de 11 años. En el período máximo de su actividad, el Sol emite un viento solar más intenso que reduce el flujo de rayos cósmicos que bombardean la atmósfera terrestre.
Algunos investigadores habían sugerido que el ligero aumento de la actividad solar en los últimos decenios había disminuido la producción de aerosoles creados por los rayos cósmicos y por ende la cobertura de nubes también había sido reducida.
En consecuencia, según esta hipótesis, la disminución de la radiación solar habría contribuido al aumento de la temperatura media global al provocar la reducción de la nubosidad. Diversos estudios que analizaron la actividad solar en los últimos decenios han demostrado sin embargo que no hay una relación directa entre las variaciones de rayos cósmicos y la cobertura nubosa, o que esta relación era mínima.
Usando los datos de la experiencia CLOUD, los científicos de la Universidad de Leeds han calculado, a partir de sus observaciones, las tasas de producción de aerosoles vinculadas al flujo de rayos cósmicos correspondientes al mínimo y máximo de la actividad solar. Y han descubierto una variación de sólo el 0,1%, por lo que la importancia del Sol en la producción de aerosoles es insignificante comparada con la influencia de la actividad humana.
Otra cuestión que se plantea en los escenarios del calentamiento global, es cómo se modula la producción de aerosoles por estos procesos de nucleación. Los investigadores calcularon el impacto de un escenario correspondiente a una elevación de 2ºC en la temperatura media global de aquí al año 2100 y observaron una disminución de al menos un 1% en la producción de aerosoles. Este efecto es relevante comparado con el papel de los gases de efecto invernadero en el calentamiento global.
Referencia
Global atmospheric particle formation from CERN CLOUD measurements. Science, 27 Oct 2016. DOI: 10.1126/science.aaf2649
Global atmospheric particle formation from CERN CLOUD measurements. Science, 27 Oct 2016. DOI: 10.1126/science.aaf2649