Ciertas partículas en la atmósfera tienen la capacidad única de cambiar las propiedades de las nubes al hacer que las gotas de agua se congelen a temperaturas más altas de lo que lo harían por sí mismas. Con esta habilidad, estas llamadas partículas nucleantes de hielo pueden afectar en gran medida la evolución de las nubes, precipitación, y clima. Investigaciones anteriores han apuntado a la quema de biomasa, como en incendios forestales, como una fuente importante de partículas atmosféricas, a veces incluyendo estas partículas de nucleación de hielo raras y escurridizas, pero esta relación entre la combustión y la liberación de nucleantes de hielo no se ha entendido.

Un nuevo estudio del Centro de Estudios de Partículas Atmosféricas de Carnegie Mellon tiene como objetivo responder estas preguntas sobre las partículas que nuclean el hielo y su relación con la combustión de biomasa. Dirigido por Ryan Sullivan, profesor asociado de química e ingeniería mecánica, un equipo de investigadores llevó a cabo extensos experimentos sobre las emisiones de auténticos combustibles de biomasa. Descubrieron que los minerales de la quema de biomasa son una fuente importante y no reconocida de partículas nucleantes de hielo que pueden explicar gran parte de la actividad de congelación observada en el humo de los incendios forestales.

El equipo, incluyendo Ph.D. estudiantes Leif Jahn, Michael Polen, Lydia Jahl, y Thomas Brubaker, Consideraron por primera vez la evidencia preliminar que obtuvieron que revelaba que la capacidad de nucleación de hielo de las partículas emitidas por la quema de biomasa, específicamente el aerosol, se hizo más fuerte con el tiempo. Esto iba en contra de experimentos previos en el campo, que encontró que el envejecimiento químico degrada la capacidad de nucleación del hielo de la mayoría de los tipos de partículas, o no lo altera.

Los investigadores plantearon la hipótesis de que esta capacidad reforzada provenía de cambios químicos en las partículas de hollín de carbono negro en el aerosol. Se ha pensado que las partículas de hollín son los nucleantes del hielo liberados por la combustión del combustible y las superficies de las partículas se oxidan más a medida que envejecen. A medida que las partículas de hollín se oxidan en la atmósfera, tal vez se volvieron más hidrofílicos, aumentando su capacidad de nucleación de hielo, dado que la nucleación del hielo implica la formación de moléculas de agua en la superficie para formar un embrión de cristal de hielo.

"Hicimos muchos experimentos, y nuestros experimentos indicaron que nuestra hipótesis original no era correcta porque los combustibles que producían la mayor cantidad de hollín generalmente tenían las propiedades de nucleación de hielo más débiles, o ninguno que podamos medir, ", dijo Sullivan." Así que no parecía que el hollín fuera la explicación ". Esto les dio una pista fundamental de que algo más que el hollín grafítico era responsable de la nucleación del hielo que estaban midiendo.

Aún tratando de explicar por qué las propiedades de nucleación del hielo del aerosol crecieron después del envejecimiento, Sullivan sintió curiosidad por la ceniza que quedaba en la sartén donde quemaron los combustibles durante sus experimentos. Mediante difracción de rayos X de los átomos que componen la ceniza, descubrieron que la ceniza que tenía las propiedades de nucleación de hielo más fuertes también tenía el material más cristalino. Cuando examinaron las diminutas partículas de aerosol submicrónicas utilizando microscopía electrónica y de rayos X, también vieron minerales en las muestras que eran los mejores nucleantes de hielo. Este fue un hallazgo clave ya que se sabe que la presencia de minerales cristalinos impulsa la capacidad de nucleación del hielo, pero esto no se había explorado tanto en el aerosol de combustión de biomasa como en la ceniza que queda.

Después de recolectar muestras auténticas de combustible de biomasa de varios refugios nacionales de vida silvestre, realizaron más experimentos para explorar cómo los cambios en el combustible original se relacionan con las diferencias en la capacidad de congelación de las emisiones de humo. Pudieron vincular la producción de estos nuevos minerales a partir de la quema de biomasa con niveles más altos de elementos formadores de minerales medidos en algunos de los combustibles originales. También pudieron descartar de manera concluyente las partículas de hollín de carbono negro como la fuente de los nucleantes del hielo.

La comunidad de la química atmosférica no se había centrado mucho en los minerales producidos en aerosoles de combustión de biomasa porque se supone que provienen de partículas de suelo preexistentes o polvo que habían aterrizado en el árbol o la planta y luego se resuspendieron a la atmósfera durante los incendios forestales. Pero Sullivan y su equipo descubrieron que estos minerales en realidad se producen a partir de la combustión misma. Si el combustible contiene elementos como silicio, planchar, aluminio, y calcio, cuando se quema, Se crean partículas que contienen minerales. Los combustibles de pasto alto tienden a producir más partículas nucleantes de hielo que los árboles porque contienen naturalmente más elementos formadores de minerales en ellos.

Sullivan ve esto como un ejemplo del método científico en acción. Su hipótesis original de que el hollín era la respuesta estaba respaldada por datos preliminares y otros estudios de la literatura, pero sus datos experimentales decían algo bastante diferente. Entonces, desarrollaron diferentes experimentos y métodos de análisis para continuar su investigación. Este ha sido un proyecto de cinco años y el enfoque principal del Premio a la Carrera de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de Sullivan.

"Nuestros hallazgos son una perspectiva totalmente diferente para la comunidad de la química atmosférica con respecto a la fuente de minerales en el humo de la quema de biomasa". "Dijo." Han ayudado a abordar las incertidumbres de larga data con respecto a las preguntas de por qué algunos combustibles de biomasa crean partículas de nucleación de hielo cuando se combinan y otros no, ¿Cuáles son las fuentes de las partículas? y cómo evolucionarán a medida que se muevan por la atmósfera ".