Los habitantes de las ciudades han tenido que lidiar durante mucho tiempo con el smog (esa desagradable neblina que se cierne sobre las áreas urbanas) como resultado de actividades humanas que producen emisiones, tan diversas como la manufactura, cortar el césped, conducir automóviles e incluso cocinar.

Estas emisiones consisten en gases como dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles (COV), así como pequeñas partículas sólidas conocidas como aerosoles. La neblina que se ve cuando se mira hacia el horizonte en un día con smog está formada principalmente por estas partículas de aerosol, que se emiten directamente a la atmósfera (y, por tanto, son "aerosoles primarios") y también se forman en la atmósfera ("aerosoles secundarios") debido a la interacción de la luz solar con compuestos en las emisiones, como los COV.

Sin embargo, las actividades humanas no son la única fuente de partículas de aerosol. Los árboles y otra vegetación también liberan COV que producen aerosoles secundarios a través de la química impulsada por la luz solar, y en cantidades muy grandes. Son estos aerosoles, por ejemplo, los responsables del humo azul de las Grandes Montañas Humeantes. Al igual que sus homólogos creados por el hombre, estos aerosoles naturales afectan la calidad del aire y también tienen impactos significativos en el clima.

Un nuevo estudio realizado por investigadores de Caltech revela por primera vez detalles clave sobre cómo los COV liberados por los árboles se transforman en aerosoles mediante la química atmosférica. El artículo que describe la investigación, que aparece en Science , fue un esfuerzo de colaboración entre los laboratorios de John Seinfeld, profesor Louis E. Nohl de Ingeniería Química; Paul Wennberg, profesor R. Stanton Avery de Química Atmosférica y Ciencias e Ingeniería Ambientales; y Brian Stoltz, profesor de química Victor y Elizabeth Atkins e investigador del Heritage Medical Research Institute.

"De manera algo contradictoria, la mayoría de los aerosoles en la atmósfera global no provienen directamente de fuentes humanas, y eso es simplemente producto del hecho de que los bosques constituyen una fracción mucho mayor de la superficie terrestre que las ciudades", dice Christopher Kenseth, autor principal de el artículo y ex estudiante de posgrado de química de Caltech, ahora becario postdoctoral de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) en la Universidad de Washington. "Las emisiones de COV de plantas y árboles producen una fracción sustancial de los aerosoles atmosféricos a nivel mundial y desempeñan un papel fundamental en el sistema climático".

Kenseth dice que los aerosoles afectan el clima de dos maneras:primero, bloquean la luz solar entrante, impidiendo que llegue a la superficie de la Tierra (al igual que podrían bloquear la vista de las montañas en un día con smog en Los Ángeles). En segundo lugar, actúan como semilla para la formación de nubes, que también reflejan la luz solar de regreso al espacio. De hecho, sin partículas de aerosol, habría muchas menos nubes en la atmósfera.

Las plantas y los árboles emiten innumerables compuestos que forman aerosoles secundarios, pero en este estudio los investigadores se centraron específicamente en un par de compuestos llamados alfa-pineno y beta-pineno, que emiten las coníferas y dan a los árboles su característico olor a pino. Estos pinenos constituyen una parte importante de los COV liberados en las zonas boscosas y, en consecuencia, son responsables de gran parte de la formación de aerosoles.

La importancia de la formación global de aerosoles atmosféricos se conoce desde hace décadas, y el llamado "sistema pineno" se estudia desde hace más de 40 años. En las últimas dos décadas, múltiples análisis han demostrado que los dímeros (compuestos formados por dos moléculas más pequeñas y similares que están unidas por un enlace químico) son componentes principales del aerosol derivado del pineno.

Sin embargo, debido a que la química de oxidación que forma el aerosol a partir del pineno es extremadamente compleja, los químicos atmosféricos anteriormente sólo habían desarrollado conjeturas fundamentadas sobre las identidades de estos dímeros y, por extensión, cómo se forman.

En el estudio actual, Kenseth se basó en recursos de los laboratorios de Seinfeld, Wennberg y Stoltz para descubrir las estructuras y el mecanismo de formación de dímeros identificados en aerosoles derivados de pineno mediante una combinación de experimentos de laboratorio y síntesis orgánica.

"Dada la reconocida importancia de los dímeros de pineno, sorprende que el mecanismo de su formación haya permanecido opaco durante tanto tiempo", afirma Wennberg. "Es realmente un tributo a la capacidad de sintetizar los supuestos compuestos y estudiar su comportamiento que permitió esta ciencia".

Kenseth generó un aerosol derivado de pineno en la Cámara Ambiental de Caltech, una gran bolsa de teflón (24.000 litros) que simula la atmósfera real pero permite un control estricto de condiciones como la temperatura y la humedad. Al recolectar el aerosol en filtros y analizar su composición molecular mediante espectrometría de masas, Kenseth pudo proponer estructuras para los principales dímeros identificados en las muestras de aerosol.

Kenseth luego colaboró ​​con investigadores en el laboratorio de Stoltz para sintetizar los compuestos propuestos y luego determinó, nuevamente usando espectrometría de masas, que las estructuras de los dímeros sintetizados coincidían con las de los dímeros identificados en el aerosol.

"Fue algo que nos entusiasmó", dice Stoltz. "Las cosas en las que trabajamos habitualmente son muy complicadas. Estos compuestos de aerosoles son moléculas muy pequeñas en comparación, pero tienen sus propias complejidades".

Habiendo confirmado definitivamente las estructuras de los dímeros, Kenseth llevó a cabo experimentos adicionales en la cámara de Caltech para descifrar el mecanismo químico detallado por el cual se forman. Fundamentalmente, los experimentos demostraron que el enlace que une las dos mitades del dímero se forma en las partículas de aerosol, a diferencia de cuando los productos de oxidación están presentes en forma de gases.

"Esto resolvió un antiguo enigma en la química de los aerosoles", dice Kenseth. "Sabemos desde hace décadas que estos dímeros son importantes impulsores de la producción de aerosoles, pero sólo sintetizando estándares auténticos pudimos determinar concretamente sus estructuras y luego diseñar los experimentos que desentrañaron su mecanismo de formación".

Este descubrimiento es importante para químicos atmosféricos como Seinfeld y Wennberg porque llena un vacío clave en la comprensión del campo sobre la composición y la química de formación de los aerosoles atmosféricos, conocimiento que es esencial para una evaluación precisa de sus impactos ambientales y de salud.

"Saber cómo se forman nos permite comprender qué otros compuestos también pueden producir tales aerosoles. Sin un mecanismo, necesitaríamos buscar en todo el catálogo de COV, algo que sería esencialmente imposible", afirma Wennberg.

Seinfeld añade:"Caracterizar los detalles a nivel molecular de la química de la formación de aerosoles es posiblemente el área de investigación más desafiante en la química atmosférica. Este estudio es un hito no sólo en términos de la metodología empleada, sino porque representa un caso raro en este campo en el que ahora se comprenden bien todos los aspectos de una importante reacción química compleja."

Los coautores son Nicholas Hafeman, Ph.D., anteriormente en Caltech y ahora en AbbVie Inc.; Samir Rezgui, estudiante de posgrado en química de Caltech; Jing Chen de la Universidad de Copenhague; Yuanlong Huang, Ph.D., del Instituto Oriental de Estudios Avanzados; Nathan Dalleska, director del Laboratorio de Agua y Medio Ambiente de Resnick en Caltech; Henrik Kjaergaard de la Universidad de Copenhague; así como Seinfeld, Wennberg y Stoltz.

Más información: Christopher M. Kenseth et al, La acreción en fase de partículas forma ésteres dímeros en aerosol orgánico secundario de pineno, Ciencia (2023). DOI:10.1126/ciencia.adi0857

Información de la revista: Ciencia

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California