Mientras miraba al Amazonas desde arriba, las hojas brillantes formaban ondas de follaje. El viento ondeaba a través de ellos, creando remolinos y charcos de verde. Desde este punto de vista, algunas personas pueden haber visto árboles. Pero desde su posición elevada, Kolby Jardine, investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (DOE), vi más:el complejo ciclo ecológico del bosque. A partir de las emisiones emitidas por las hojas hasta las nubes en lo alto, cada componente influye en todos los demás.

Jardine fue parte del proyecto "Green Ocean Amazon" o GoAmazon de la Oficina de Ciencias del DOE, que se centró en comprender mejor el ciclo del agua de la cuenca del Amazonas. Tomando datos en un balanceo, plataforma estrecha más alta que un edificio de 10 pisos, Jardine esperaba ver una parte de este sistema:cómo las hojas tropicales producen emisiones.

"Realmente sientes lo que es ser una hoja en el dosel superior, " él dijo.

El Amazonas es la selva tropical más grande y diversa del mundo, que se extiende por nueve países. Si bien las emisiones provocadas por el hombre contaminan el aire en la estación seca, el aire sobre el Amazonas en la temporada de lluvias es uno de los lugares más limpios del mundo.

Ese contraste lo convierte en el lugar perfecto para que Jardine y otros investigadores estudien cómo los árboles liberan emisiones y qué efectos tienen esas emisiones en el clima.

Los árboles y otras plantas producen de cientos a miles de compuestos orgánicos volátiles (COV). Estos productos químicos a base de carbono se evaporan fácilmente de un líquido o un sólido al aire a temperaturas mucho más bajas que la mayoría de los productos químicos. Por ejemplo, su nariz detecta COV cuando huele a pinos. Otros COV son de origen humano, como los que producen el "olor a coche nuevo". Si bien los COV de origen humano dominan en las zonas urbanas, Los COV producidos por los árboles juegan un papel importante en el Amazonas.

En cuestión de minutos a horas después de que los árboles los liberen, Los COV reaccionan con el ozono y otras sustancias químicas de la atmósfera. Se agrupan para convertirse en compuestos más grandes o reaccionan con las emisiones provocadas por el hombre de los vehículos diésel o las plantas de energía que queman combustibles fósiles. En ambos casos, forman aerosoles orgánicos secundarios (SOA), Partículas sólidas o líquidas suspendidas en gas.

Desde formar smog hasta influir en la formación de nubes, Los SOA impulsan una serie de procesos atmosféricos y climáticos. Las interacciones entre aerosoles, COV, y otras emisiones biológicas crean una de las mayores incertidumbres en los modelos climáticos. La Oficina de Ciencias del Departamento de Energía está apoyando la investigación sobre los COV de los árboles y las SOA que forman.

El gran impacto de las partículas diminutas

Para compuestos que a menudo duran menos de dos horas antes de reaccionar con otra cosa, Los COV tienen un gran impacto. Eso es especialmente cierto en los trópicos, donde del 30 al 50 por ciento de los árboles emiten COV. A través de las SOA en las que se transforman, Los COV afectan el tiempo y el clima de dos formas principales.

Primero, Los SOA constituyen una gran proporción de las partículas diminutas de la atmósfera. Influyen en la cantidad de luz solar que absorbe o dispersa la atmósfera, y por lo tanto la cantidad de luz y calor que llega a la superficie de la Tierra.

Segundo, el vapor de agua se condensa en SOA. Algunas veces, la partícula recoge suficiente agua para convertirse en una gota de nube. Si sigue creciendo puede convertirse en una gota de lluvia que cae a la tierra. El proyecto GoAmazon abordó el desafío de recopilar datos sobre COV, Así como, y sus efectos sobre el clima. El equipo de GoAmazon tomó datos desde enero de 2014 hasta diciembre de 2015 utilizando la Instalación de Investigación del Clima de Medición de Radiación Atmosférica (ARM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias.

¿Qué sucede cuando un árbol respira?

Para mapear el papel de los COV biológicos en la selva tropical, los científicos deben comprender cómo y por qué los producen los árboles. Es más fácil decirlo que hacerlo.

La cantidad de factores que determinan la producción de COV es asombrosa. La temporada, especie de árbol, edad de la hoja, concentración de dióxido de carbono en el aire alrededor del árbol, luz, y la temperatura son solo algunos. Además, las plantas no solo liberan COV; algunos incluso incorporan ciertos compuestos orgánicos volátiles.

Otro desafío es simplemente tomar datos dentro y por encima del dosel del bosque. Una de las principales formas de tomar muestras de aire de los investigadores es volar aviones personalizados llenos de instrumentos complejos sobre el dosel.

A diferencia de los modelos, "las mediciones basadas en aviones proporcionan [datos sobre] la atmósfera real, "dijo Jian Wang, científico del Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE.

Para comprender los niveles de isopreno (un VOC importante) justo por encima del dosel, El equipo de GoAmazon realizó ocho vuelos de investigación diferentes tanto en la estación húmeda como en la seca. Sus datos mostraron que las tasas de emisión de isopreno eran tres veces más altas de lo que habían revelado los datos satelitales y un 35 por ciento más altas de lo que predijeron los modelos. En particular, encontraron que ni los modelos ni los satélites tenían en cuenta las diferentes elevaciones o la variedad de especies de plantas en el Amazonas.

"Tenemos que saber quiénes son los jugadores y cuáles son sus fuentes, "dijo Jardine.

Jardine y su equipo tenían un enfoque complementario:se posaron durante días en lo alto de una torre estrecha que se elevaba en la jungla. Después de caminar por el bosque antes del amanecer, tomaron muestras de gases de diferentes niveles de la torre cada 10 minutos. Luego analizaron el contenido utilizando un instrumento especializado que utiliza masas de productos químicos para identificarlos.

Seguimiento de las diferencias encontraron que los árboles producían mucho más isopreno durante el día que durante la noche y durante la estación seca que la estación húmeda. Cuanta más luz solar y más altas sean las temperaturas, las más plantas de isopreno emitidas. El equipo también descubrió que cuanto más estrés estaban bajo las hojas, cuanto más isopreno producían.

Ambos estudios ilustraron cuán complejas son las influencias en la producción de COV de los árboles. Tener en cuenta estas influencias es fundamental para mejorar los datos que entran en los modelos climáticos.

El estudio de la torre también encontró que en circunstancias particularmente estresantes, Los COV podrían reaccionar con el oxígeno dentro de las propias plantas. Estudios previos en los que participó Jardine con agujas de pino piñonero y hojas de mango muestran que este fenómeno se extiende más allá del Amazonas. El hecho de que las plantas puedan producir productos secundarios por sí mismas es otro factor que los modelos deben incluir. Además, señala la importancia potencial de los COV dentro de las propias plantas. De hecho, pueden ayudar a las plantas a lidiar con los factores ambientales estresantes.

Qué se necesita para convertirse en un aerosol orgánico secundario

Una vez que los árboles liberan emisiones al aire, surgen aún más interacciones. Qué COV forman qué SOA depende del nivel de COV, los gases con los que reaccionan los COV, y cuánto se mezclan. Los COV a menudo pueden reaccionar con el oxígeno y otras sustancias químicas varias veces a medida que se mueven por la atmósfera. cada vez produciendo diferentes productos. "Es importante saber qué pasará con los COV y SOA cuando se transporten [lejos] de las fuentes, "dijo Alla Zelenyuk-Imre, investigador del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del DOE. Estas transformaciones afectan tanto las características de las SOA como la forma en que influyen en la formación de nubes.

Para investigar estas reacciones, los científicos utilizan estudios de campo y de laboratorio. Estudios de campo, como GoAmazon, ofrecen datos del mundo real. Pero los científicos a menudo no pueden analizar completamente estas reacciones químicas en el campo.

"Los estudios de laboratorio fundamentales pueden ayudar a comprender e interpretar los datos de observación más complejos, "dijo Nga Lee" Sally "Ng, investigador de Georgia Tech. "Tanto los estudios de laboratorio como los de campo se complementan realmente".

Un estudio de 2015 dirigido por Ng amplió la comprensión de los científicos sobre el papel del isopreno en la formación de SOA. Previamente, la mayoría de los científicos pensaba que los niveles de óxidos de nitrógeno, a menudo producidos por automóviles, camiones y plantas de energía que queman combustibles fósiles:niveles de SOA determinados. Su estudio encontró que el isopreno y las sustancias químicas que se forman como resultado de él eran incluso más importantes que los niveles de óxido de nitrógeno por sí solos. Fueron las complejas interacciones entre los COV (incluido el isopreno) y los óxidos de nitrógeno las que tuvieron el mayor efecto de todos en las características de la SOA.

Desde entonces, otros estudios de laboratorio han examinado cómo los COV interactúan con una variedad de contaminantes de la combustión de combustibles fósiles, incluidos el sulfato y el amoníaco producidos por la agricultura. En ambos estudios, las emisiones antropogénicas cubrieron los COV biológicos. Eso cambió fundamentalmente tanto la forma en que los COV se convirtieron en SOA como las características de las mismas.

Con estos conocimientos del laboratorio, el proyecto GoAmazon examinó cómo se desarrollaron estas interacciones en el mundo real. En particular, El equipo de investigación profundizó en la relación entre las emisiones de las plantas y la contaminación provocada por el hombre.

Para ir a donde estaban los datos, volaron un avión a través de una columna flotante de contaminación de la ciudad de Manaus, que se encuentra en las profundidades del Amazonas. Los científicos encontraron que los COV reaccionaban con el oxígeno varias veces más rápido e intensamente dentro del área contaminada que fuera de ella. Además, la contaminación cambió fundamentalmente el proceso de conversión de los COV en SOA. Los investigadores midieron una serie de compuestos químicos dentro de la columna que estaban ausentes fuera de ella.

En el piso, Los científicos tomaron muestras de aire en un gran claro rodeado de selva tropical. Al exponer el aire ambiente a altas concentraciones de los gases que reaccionan con los COV dentro de un contenedor, simularon los resultados de días o meses de producción de SOA. Descubrieron que había de cuatro a cinco veces más SOA durante la estación seca que en la estación húmeda. Asombrosamente, También encontraron que había significativamente más SOA de los que los COV por sí solos podían producir. Ese resultado sugiere que los COV no son los únicos gases que juegan un papel importante en la formación de SOA, otra brecha más en nuestra comprensión.

En el aire

Las cosas realmente despegan cuando las SOA llegan a la atmósfera.

"Los aerosoles actúan como una semilla para formar nubes, "dijo Ng. Si se condensa suficiente vapor de agua en ellos, eventualmente pueden convertirse en gotas de lluvia.

Pero tienen que pasar muchas cosas antes de que llueva. Tamaño de SOA, de qué están hechos, como se mueven, y cuánto tiempo han estado en el aire determinan qué tan bien absorben o liberan agua.

Uno de los estudios de GoAmazon analizó cómo las partículas basadas en carbono (en su mayoría naturales) y las partículas no basadas en carbono (en su mayoría de origen humano) absorbían y liberaban agua de manera diferente. Estudios de laboratorio anteriores sugirieron que la forma en que las partículas acumulan vapor de agua depende principalmente de las concentraciones de contaminantes que interactúan con los SOA. Pero en el mundo real dependía mucho más de las concentraciones de SOA y otros aerosoles en sí.

Otro estudio de GoAmazon proporcionó resultados que contradecían las percepciones comúnmente aceptadas. Los científicos no creían que los aerosoles más pequeños pudieran afectar la formación de nubes. Simplemente no eran lo suficientemente grandes. Pero el estudio encontró que estas pequeñas partículas pueden hacer que las tormentas en el Amazonas sean más intensas, nubes más grandes, y es más probable que llueva.

"Este estudio abre una nueva puerta para comprender cómo los aerosoles afectan las nubes y el clima en esas regiones cálidas y húmedas, "dijo Jiwen Fan, otro científico de la PNNL.

Si bien el estudio no determinó si estos diminutos aerosoles se desarrollaron a partir de COV, un estudio de seguimiento está analizando este tema. Ampliar el conocimiento de los científicos sobre los efectos de las SOA en la formación de nubes ayuda a los científicos a rastrear cómo cambian el tiempo y los sistemas climáticos con el tiempo.

Las relaciones ecológicas entrelazadas de la Amazonía, desde los árboles hasta las nubes, sigue sorprendiendo a los científicos.

Como dijo Jardine, "Mirar las interfaces de estos sistemas es muy desafiante, pero también es donde se encuentran la mayor parte de las oportunidades ".