Como parte del proyecto internacional CLOUD del CERN, investigadores de PSI han descubierto que los llamados sesquiterpenos (hidrocarburos gaseosos liberados por las plantas) son un factor importante en la formación de nubes. El descubrimiento podría reducir la incertidumbre en los modelos climáticos y ayudar a realizar predicciones más precisas. La investigación ahora ha sido publicada en la revista Science Advances.
Según las últimas proyecciones del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), para 2100, el clima global será entre 1,5 y 4,4 grados Celsius más cálido que los niveles preindustriales. Esta cifra se basa en varios escenarios hipotéticos que describen cómo se desarrollarán en el futuro las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero. Entonces, en el mejor de los casos, si podemos controlar las emisiones rápida y completamente, aún podemos alcanzar el objetivo de 1,5 grados Celsius establecido en el Acuerdo de París. En el peor de los casos, superaremos con creces este objetivo.
Sin embargo, también existe un cierto grado de incertidumbre en esta predicción. Por ejemplo, en el peor de los casos, si las emisiones continúan aumentando bruscamente, el aumento de la temperatura podría ser tan bajo como 3,3 grados Celsius o tan alto como 5,7 grados Celsius en lugar de 4,4 grados Celsius.
Estas incertidumbres a la hora de predecir cómo la evolución específica de las emisiones de gases de efecto invernadero provocará cambios en las temperaturas se debe en gran medida al hecho de que los científicos aún no comprenden completamente todos los procesos que ocurren en la atmósfera: las interacciones entre diversos gases y aerosoles en la atmósfera. Los investigadores atmosféricos del centro de investigación nuclear CERN en Ginebra han lanzado un proyecto de colaboración internacional, el proyecto CLOUD (Cosmic Droplets Leaving Outdoors), cuyo objetivo es establecer estos procesos. PSI ayudó a construir la cámara de pruebas de CLOUD y es miembro del comité directivo del proyecto.
El misterio de la formación de nubes
Cómo se formarán las nubes en el futuro, en particular, sigue siendo en gran medida un misterio. Sin embargo, este es un factor clave en la predicción del clima porque más nubes reflejan más radiación solar, enfriando la superficie de la Tierra.
Para formar las gotas de agua que forman las nubes, el vapor de agua necesita núcleos de condensación, que son partículas sólidas o líquidas sobre las que se puede condensar. Estas partículas provienen de una variedad de aerosoles, que son pequeñas partículas sólidas o líquidas de entre 0,1 y 10 micrones de diámetro que son producidas y liberadas al aire por la naturaleza y las actividades humanas. Estas partículas incluyen la sal del océano, la arena de los desiertos, los contaminantes de la industria y el tráfico o las partículas de humo de los incendios.
Sin embargo, aproximadamente la mitad de todos los núcleos de condensación se forman cuando diferentes moléculas gaseosas del aire se combinan para formar un sólido, un fenómeno que los expertos llaman "nucleación" o "formación de nuevas partículas" (NPF). Al principio, estas partículas son muy pequeñas, de sólo unos pocos nanómetros de tamaño, pero con el tiempo crecen a través de la condensación de moléculas gaseosas y luego se convierten en núcleos de condensación.
Gases de efecto invernadero que se pueden oler
El principal gas antropogénico que causa la formación de partículas es el dióxido de azufre en forma de ácido sulfúrico, principalmente proveniente de la quema de carbón y petróleo. Los más importantes de estos gases naturales son los llamados isoolefinas, monoterpenos y sesquiterpenos. Se trata de hidrocarburos liberados principalmente por la vegetación. Son los componentes principales de los aceites esenciales, que olemos cuando cortamos el césped o damos un paseo por el bosque, por ejemplo. Cuando estas sustancias se oxidan, es decir, reaccionan con el ozono, forman aerosoles en el aire.
Lubna Dada, científico atmosférico de PSI, dijo: "Cabe señalar que la concentración de dióxido de azufre en el aire ha disminuido significativamente en los últimos años y seguirá disminuyendo debido a una legislación ambiental más estricta. Por otro lado, la concentración de terpenos está aumentando debido al crecimiento de las plantas "
Entonces, una gran pregunta para mejorar las predicciones climáticas es cuál Los factores dominantes serán los que provocarán una mayor o menor formación de nubes. Para responder a esta pregunta, necesitamos saber cómo cada una de estas sustancias contribuye a la formación de nuevas partículas. Ya se sabe mucho sobre el ácido sulfúrico y ahora se comprende mejor el papel de los monoterpenos y el isopreno, gracias a mediciones de campo y experimentos de laboratorio como CLOUD, en el que participa PSI.
Los sesquiterpenos son raros pero potentes
"Hasta ahora, los sesquiterpenos no han sido el foco de la investigación". Dada explica: "Esto se debe a que son difíciles de medir. En primer lugar, porque reaccionan muy rápidamente con el ozono y, en segundo lugar, porque aparecen con mucha menos frecuencia que otras sustancias". No obstante, estos compuestos desempeñan un papel importante en la formación de nubes. Según las mediciones, en la misma concentración forman diez veces más partículas que las otras dos sustancias orgánicas.
Para determinar esto, Dada y sus colaboradores utilizaron el exclusivo laboratorio CLOUD del Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN). La cámara de pruebas es una sala sellada que simula diferentes condiciones atmosféricas. Esta cámara climática tiene casi 30 metros cúbicos y es la más pura de su tipo en el mundo. La pureza es tan alta que los sesquiterpenos pueden estudiarse incluso en concentraciones muy bajas registradas en la atmósfera.
De eso se trata exactamente este estudio. Este estudio tuvo como objetivo simular la formación de partículas biológicas en la atmósfera. Más concretamente, los investigadores estaban interesados en estudiar la era preindustrial, cuando no había emisiones antropogénicas de dióxido de azufre. Esto permitirá determinar y predecir con mayor claridad los impactos de las actividades humanas para el futuro. Sin embargo, las emisiones de dióxido de azufre provocadas por el hombre han sido omnipresentes en la naturaleza durante mucho tiempo. Ésta es otra razón por la que sólo son viables las cámaras de niebla. También puede producir mezclas preindustriales en condiciones controladas.
Las partículas persistentes generan más nubes
Los experimentos encontraron que la oxidación de mezclas naturales de isopreno, monoterpenos y sesquiterpenos en aire puro produce una gran cantidad de compuestos orgánicos, los llamados ULVOC (compuestos orgánicos volátiles ultrabajos). Como sugiere el nombre, estos compuestos orgánicos no son muy volátiles y, por lo tanto, muy eficientes para formar partículas que crecen de tamaño con el tiempo y se convierten en núcleos de condensación. El espectacular efecto de los sesquiterpenos se hizo evidente cuando los investigadores los añadieron a una suspensión que contenía sólo isopentenos y monoterpenos. Incluso añadiendo sólo un 2% se duplicó la tasa de formación de nuevas partículas. Esto puede explicarse por el hecho de que las moléculas de sesquiterpeno están compuestas por 15 átomos de carbono, mientras que los monoterpenos tienen sólo 10 átomos de carbono y los isopentenos tienen sólo 5 átomos de carbono.
Por un lado, este estudio revela otra forma en que la vegetación afecta el tiempo y el clima. Pero lo más importante es que los hallazgos sugieren que los sesquiterpenos deberían incluirse como un factor separado en los futuros modelos climáticos, junto con los isopentenos y los monoterpenos, para que sus predicciones sean más precisas. Especialmente dada la reducción de las concentraciones de dióxido de azufre en la atmósfera y el aumento simultáneo de las emisiones biológicas debido al estrés climático, esto significa que es probable que este último tenga un impacto cada vez mayor en el clima futuro. Sin embargo, se necesita investigación adicional para mejorar aún más las predicciones de formación de nubes. El Laboratorio de Química Atmosférica ya está planificando estos estudios.
Imad El-Haddad, jefe del grupo de investigación de Procesos Moleculares Atmosféricos, dijo: "A continuación, nosotros y nuestros socios de CLOUD queremos investigar qué sucedió exactamente durante la industrialización, cuando la atmósfera natural se mezclaba cada vez más con gases antropogénicos como dióxido de azufre, amoníaco y otros compuestos orgánicos antropogénicos".