Jon Thompson busca descubrir cómo la composición y morfología de las partículas afecta su capacidad para absorber o reflejar la luz, calentando o enfriando así el clima.

El enfoque en las causas subyacentes del cambio climático se centra principalmente en el dióxido de carbono (CO2), que puede vivir en la atmósfera durante más de 100 años. Reducir la cantidad de dióxido de carbono ha sido el objetivo de muchos que trabajan para reducir el cambio climático.

Pero el dióxido de carbono no es el único factor que ha provocado un cambio climático. Partículas, más comúnmente conocido como aerosoles atmosféricos, existen en la atmósfera en concentraciones numéricas de varios miles por centímetro cúbico de aire y pueden calentar o enfriar la atmósfera. Los aerosoles que absorben fuertemente la luz solar calentarán la atmósfera, mientras que aquellos que reflejan la luz del sol de regreso al espacio enfriarán la tierra. La proporción específica de luz reflejada a luz absorbida es crucial para determinar el efecto neto. Esta relación se describe mediante el albedo de aerosol.

Pero, ¿cuáles son los factores que determinan la cantidad exacta de luz absorbida o reflejada por el aerosol? Esta es la pregunta que el investigador de la Texas Tech University, Jon Thompson, ha estado tratando de resolver desde sus días como estudiante de doctorado.

"En el momento en que se sabía que los aerosoles probablemente tenían un impacto en el clima, pero los investigadores querían mejores restricciones cuantitativas sobre esos efectos, "dijo Thompson, profesor asociado en el Departamento de Química y Bioquímica. "La pregunta científica general es:¿Cuál es el impacto climático de los aerosoles atmosféricos? ¿La presencia de aerosoles aumenta o disminuye el reflejo del planeta, y ¿cuál es el efecto neto sobre la temperatura? "

Para hacer eso, Los investigadores han examinado no solo los diferentes tipos de aerosoles que existen en la atmósfera, sino también su combinación con otras sustancias químicas. particularmente carbón negro, y cómo eso afecta la reflectividad.

¿Qué es un aerosol?

Mencione el aerosol a la persona promedio y tendrá visiones de laca para el cabello u otras emisiones domésticas de una lata presurizada que se dispersan en una niebla. Pero ese no es el tipo de aerosol que Thompson y sus colegas investigadores han examinado a lo largo de los años.

"Lo entiendo mucho y es uno de los conceptos erróneos, la gente a menudo piensa que investigo sobre desodorantes o algo así, "Dijo Thompson.

Un aerosol se define como una mezcla de finas partículas sólidas o gotitas de líquido en el aire u otro gas. Hay varias fuentes de aerosoles que existen en la atmósfera, pero esencialmente se dividen en dos categorías:naturales o artificiales, también conocido como antropogénico.

Una fuente de aerosol natural más común en el oeste de Texas es el polvo arrastrado por el viento, que ocurre en áreas con vientos fuertes y baja humedad. Pero el polvo arrastrado por el viento puede viajar varios miles de millas desde su origen. No es raro encontrar partículas de arena del desierto que se originan en el desierto del Sahara en Florida o incluso en el este de Texas. Otra fuente de aerosol natural es el aerosol de sal marina, que es el rocío creado al romper las olas en el océano. Una tercera fuente de aerosol natural resulta de las erupciones volcánicas que liberan dióxido de azufre (SO2) que puede reaccionar en la atmósfera para crear un aerosol de sulfato.

El aerosol de sulfato es un aerosol secundario, que son aerosoles que se forman a partir de una reacción química en la atmósfera en lugar de emitirse directamente. Pero muchos aerosoles secundarios tienen fuentes antropogénicas, como quemar carbón o combustibles que contienen azufre, amoniaco producido a partir de la agricultura, o combustibles fósiles sin quemar.

"Una vez que los gases precursores comienzan a reaccionar, tienen tendencia a incorporar átomos de oxígeno en los productos de reacción, y eso hace que los materiales resultantes sean menos volátiles, ", Dijo Thompson." Como resultado, los productos de reacción comienzan a condensarse en otras partículas aumentando así la masa del aerosol secundario. Ese es el proceso que vemos en muchos grandes centros de población, como Los Ángeles y Beijing, China "." La deposición de material adicional puede alterar drásticamente las propiedades ópticas de las partículas, por lo que estudiar el proceso y los cambios resultantes es crucial para comprender el efecto climático del aerosol ".

Medición de las propiedades ópticas de los aerosoles

Thompson comenzó a examinar la cuestión de la óptica de aerosoles como parte de un grupo que adaptó el método de espectroscopia de anillo de cavidad (CRDS) para medir aerosoles mientras trabajaba en su disertación. El CRDS es un proceso en el que la luz de un láser pulsado rebota de un lado a otro entre espejos altamente reflectantes para crear un camino largo, generalmente de varios kilómetros, para medir la pérdida óptica.

Thompson y sus colegas integraron CDRS con Integrating Sphere Nepholometry (ISN), que fue desarrollado originalmente por investigadores de la Universidad de Nevada-Reno. ISN utiliza láseres y una cámara esférica para medir la cantidad de luz que dispersan los aerosoles.

Combinando las dos técnicas, Thompson y sus colegas determinaron que podían medir simultáneamente cuánta luz se dispersa por los aerosoles y cuánta se absorbe con la misma muestra. y hacerlo en una atmósfera natural evitó que las partículas de aerosol se acumularan en un filtro, que puede alterar los resultados. Otros avances en los instrumentos han permitido medir la concentración de masa de carbón negro u hollín junto con las mediciones ópticas.

Esto es lo que se conoce como medir el albedo del aerosol.

"Si el albedo es igual a uno, las partículas de aerosol son perfectamente reflectantes y no absorben la luz en absoluto, "Dijo Thompson." Si el albedo es igual a cero, que nunca ocurre, son perfectamente absorbentes. Sin embargo, podemos medir esa proporción, y eso es extremadamente importante para determinar si el aerosol en la atmósfera conducirá o no a calentar o enfriar el clima ".

Carbono negro

Uno de los principales factores desconocidos sobre si los aerosoles absorberán o reflejarán la luz es su interacción con el carbón negro. que se forma a partir de la combustión incompleta de motores diesel o gasolina.

Mezclar carbón negro con un material secundario como orgánicos o sulfatos en realidad aumenta la capacidad de absorción de las partículas mezcladas. pero cuánto depende de dónde se encuentre el carbón negro, ya sea en el centro de la partícula o adherido al costado.

La humedad también juega un papel importante en la composición de las partículas. El carbón negro en sí no es muy absorbente de agua, pero cuando se mezcla con sulfato o nitrato, se volverá más higroscópico y recogerá agua de la atmósfera, lo que permite que la partícula crezca.

“Queremos estudiar la organización de la partícula y saber cómo se mezclan los materiales y dónde se encuentra el carbón negro dentro de la partícula, "Dijo Thompson." ¿Se disuelve? ¿Se sumerge hasta el centro de la gota? ¿Está en la superficie? ¿Cómo afecta eso a las propiedades de absorción de luz del material? Creemos que estos detalles no se han resuelto todos, sin embargo, tienen profundas consecuencias sobre la cantidad de luz que se absorbe ".

Thompson ha realizado previamente mediciones ópticas tanto en un laboratorio aquí en Lubbock como en Houston, donde el clima es mucho más húmedo a lo largo de la Costa del Golfo. Los resultados de esos experimentos prometen que, con más investigación, Los secretos de la organización de las partículas de aerosol con carbón negro se pueden descubrir y se pueden determinar sus propensiones a absorber la luz.

Thompson y sus colegas esperan obtener más fondos para continuar esta investigación a mayor escala.

"Todas estas cosas deben resolverse para comprender mejor cómo el carbono negro influye en el sistema climático, ", Dijo Thompson." Esos son los tipos de cosas en las que nos gustaría trabajar con los dispositivos que hemos desarrollado ".