Un descubrimiento del ex Carnegie Mellon Ph.D. El estudiante, Mingyi Wang, que dirige un gran equipo de colaboración, arroja luz sobre una forma en que se forman nuevas partículas en la troposfera superior. El estudio, publicado en Nature , revela una reacción volátil inesperada entre el ácido nítrico, el ácido sulfúrico y el amoníaco, creando sinérgicamente nuevas partículas a un ritmo rápido. Los hallazgos sugieren que, además del dióxido de carbono, existen otros compuestos que necesitan atención y regulación.

La presencia de amoníaco se descubrió por primera vez en la troposfera superior en 2016 mediante el análisis de espectros de emisión de extremidades infrarrojas promediadas MIPAS (interferómetro de Michelson para sondeo atmosférico pasivo). Científicos del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (Alemania), la Universidad de Colorado Boulder y la Universidad Nacional Autónoma de México realizaron un "CT Scan" de la atmósfera, moviéndose a lo largo de latitudes y longitudes, midiendo concentraciones y composiciones de partículas en la troposfera superior.

El amoníaco se deriva principalmente de la agricultura y los vehículos en entornos urbanos condensados. Cuando los científicos detectaron el compuesto en la troposfera superior, se sorprendieron de lo lejos que había viajado hacia la atmósfera, lo que planteó preguntas sobre cómo se transporta allí y su efecto sobre la creación y la masa de las partículas.

Después de conocer el estudio anterior, Wang, Ph.D. estudiante del Departamento de Química de Carnegie Mellon, se interesó en la reacción entre el amoníaco, el ácido nítrico y el ácido sulfúrico en la atmósfera. En un estudio de 2020, también publicado en Nature, Wang descubrió que en condiciones frías, como la del clima invernal en Beijing, la mezcla de estos tres agentes contribuye y se condensa en partículas nanométricas, aumentando su masa rápidamente.

Con este hallazgo, Wang sintió curiosidad por saber cómo se vería esta reacción en regiones aún más frías y extremas, por lo que comenzó a diseñar un experimento para probarla en condiciones similares a las de la troposfera superior.

"Hay un número muy limitado de instrumentos disponibles para identificar los procesos que crean partículas en la troposfera superior", dijo Wang. "Debemos confiar en los experimentos de laboratorio para comprender lo que puede ocurrir en esas condiciones".

Para analizar esto, Wang viajó a Suiza como miembro de la colaboración CLOUD para probar su experimento en el Consejo Europeo de Investigación Nuclear (CERN). Usando su instalación de cámara, Wang creó condiciones atmosféricas controladas con precisión y observó reacciones en tiempo real. Cuando llegó el momento de agregar amoníaco a la cámara, Wang esperaba ver que la mezcla de ácidos y bases se condensara en las partículas existentes y aumentara su masa, como había descubierto previamente. Sin embargo, para su sorpresa, vio un estallido de nuevas partículas formándose rápidamente.

"Lo que encontramos es que el ácido nítrico y el amoníaco son susceptibles a los cambios de temperatura. Cuando la temperatura se vuelve más fría, en realidad pueden pasar por el proceso de conversión de gas a partículas, creando nuevas partículas y aumentando la concentración general del número de partículas", dijo Wang.

"Esto es importante, especialmente en la troposfera superior relativamente limpia. Las fuentes de emisión son limitadas allí. No hay fábricas ni granjas, y se cree que los aviones constituyen la mayor parte de los contaminantes en esta área. Cualquier contaminante en la troposfera superior se juegan un papel muy diferente al que tienen en la capa límite (la parte más baja de la troposfera, directamente afectada por la presencia de la superficie terrestre). La temperatura y la interacción entre las especies en cada uno también son muy diferentes".

En colaboración con varios científicos del clima de renombre mundial, incluido el profesor de investigación asistente de ingeniería de Carnegie Mellon, Hamish Gordon, Wang y sus colegas investigadores realizaron simulaciones de modelos globales, demostrando cómo se transporta el amoníaco a la troposfera superior y luego se dispersa.

Además, CMU Ingeniería Química Ph.D. El estudiante y coautor Brandon López descubrió que incluso una pequeña cantidad de ácido sulfúrico podía convertir partículas en formidables núcleos de hielo.

El grupo descubrió que el amoníaco se transporta hacia arriba durante eventos como el monzón asiático. Dado que el amoníaco es muy soluble, a medida que pasa a través de las nubes, comienza a disolverse en gotas de nubes. Luego, estas gotitas se congelan, se convierten en cristales de hielo y vuelven a liberar porciones de amoníaco a la atmósfera, produciendo partículas que pueden propagarse por el hemisferio norte de latitud media.

"Este hallazgo nos lleva a cuestionar si otras especies, como los compuestos orgánicos, también pueden transportarse a la troposfera superior a través de este proceso", dijo Wang.

El asesor de Wang, coautor y científico climático de clase mundial, Neil Donahue, explicó la importancia de comprender la posible variedad de compuestos que podrían ser convectivos y su impacto potencial.

"Toda la incertidumbre científica en torno al cambio climático se relaciona con las nubes de una forma u otra", dijo Donahue, profesor de Thomas Lord en los departamentos de Química, Ingeniería Química e Ingeniería y Políticas Públicas de Carnegie Mellon. "Para formar nubes, se necesita agua para nuclearse o congelarse".

"En las partes contaminadas de la atmósfera más cercanas al suelo, como las que se encuentran sobre las grandes ciudades, los agentes y partículas que actúan como núcleos de nubes (semillas) son abundantes, pero son bastante raros en las vastas áreas de la atmósfera superior. La naturaleza de las nubes puede cambiar mucho según el tipo y la cantidad de partículas presentes, por lo que el hecho de que estas partículas generen y cambien la composición de las nubes en la atmósfera superior podría tener un impacto significativo en el clima".

Reducción del dióxido de carbono (CO₂ ) las emisiones continúan siendo un foco importante de los científicos del clima y los legisladores. Mientras que Wang dice que reducir el CO₂ al disminuir la combustión de combustibles fósiles ayudará a reducir varios otros contaminantes, él cree que es imperativo comenzar a desarrollar regulaciones enfocadas específicamente en las emisiones de amoníaco.

"Sabemos que tenemos que reducir las emisiones de óxido de azufre y nitrógeno de las centrales eléctricas de carbón y los vehículos, pero ahora es evidente que también deberíamos pensar en reducir las emisiones de amoníaco de los vehículos y la agricultura. Está demostrando que desempeña un papel fundamental tanto en la capa límite, afectando la calidad del aire, pero también en la composición de la troposfera superior".

Wang, ahora un postdoctorado en el Instituto de Tecnología de California, dice que el siguiente paso es diseñar estudios adicionales para descubrir si otros compuestos están llegando a la troposfera superior de manera similar. + Explora más

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