Un equipo de investigadores de ETH Zurich ha utilizado por primera vez simulaciones en la supercomputadora CSCS Piz Daint para investigar cómo ciertos mecanismos de envejecimiento de las partículas de hollín en la atmósfera afectan la formación de nubes. Los resultados muestran que la influencia del ozono y el ácido sulfúrico en el envejecimiento del hollín altera la formación de nubes y, por último, el clima.

Quemando madera, Los productos del petróleo u otros materiales orgánicos liberan partículas de hollín a la atmósfera que consisten principalmente en carbono. Este hollín se considera el segundo agente forzador climático antropogénico más importante después del dióxido de carbono. En la atmósfera o como depósitos en superficies de nieve y hielo, Las partículas de hollín absorben la radiación de onda corta del sol y contribuyen así al calentamiento global.

En la atmósfera, Las partículas de hollín también tienen un efecto indirecto sobre el clima al alterar la formación, desarrollo y propiedades de las nubes. Un equipo de investigación dirigido por Ulrike Lohmann, profesor del Instituto de Atmósfera y Clima de ETH Zurich, ha investigado por primera vez cómo dos tipos específicos de partículas de hollín influyen en las nubes y, Sucesivamente, el clima:por un lado, aerosoles de hollín que envejecen debido al ozono y, en el otro, los que envejecen debido al ácido sulfúrico.

La química del hollín cambia la formación de nubes

"Hasta ahora, se asumió que estos dos tipos de envejecimiento del hollín tenían poco efecto sobre la formación de nubes y el clima, "dice David Neubauer, programador científico en el grupo de investigación de Lohmann. Sin embargo, los resultados de las simulaciones que ahora se llevan a cabo en la supercomputadora CSCS Piz Daint pintan una imagen diferente.

Cuando las partículas de hollín se combinan con ozono o ácido sulfúrico, sus propiedades físicas y químicas cambian, escriben los investigadores en su estudio publicado recientemente en la revista Naturaleza Geociencia . Las partículas de hollín envejecidas por el ozono forman núcleos de condensación en las capas inferiores de la atmósfera, que ayudan a que se formen las nubes. En capas más altas de la atmósfera, sin embargo, las partículas de hollín envejecidas por el ácido sulfúrico actúan como núcleos de hielo y ayudan a que se formen los cirros.

El equipo simuló cómo las partículas de hollín de diferente envejecimiento influyen en la formación de nubes, y en consecuencia el clima, desde la época preindustrial hasta el futuro. En estas simulaciones, el desarrollo de las partículas de aerosol se acopla a la física de la formación de nubes en un cálculo interactivo. Esto es complejo y requiere más tiempo de cálculo que las simulaciones climáticas convencionales.

Los investigadores hicieron suposiciones claramente definidas para sus cálculos al describir el estado de envejecimiento de las partículas de hollín. dependiendo de la temperatura y la concentración de ozono. Ambos factores tienen una influencia significativa en el envejecimiento:para que el hollín envejezca rápidamente a través del ozono, la temperatura y la concentración de ozono deben ser elevadas. Para la capacidad del hollín de actuar como un núcleo de hielo por envejecimiento con ácido sulfúrico, una temperatura baja juega un papel decisivo.

La formación de nubes modificada conduce al calentamiento

Las simulaciones de hollín envejecido por ozono muestran que cuando el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera se duplica en comparación con la era preindustrial, se forman menos nubes bajas. Inicialmente, se forman considerablemente más gotas de nubes por el envejecimiento del hollín con ozono. Sin embargo, su alta concentración conduce a un mayor enfriamiento de la parte superior de las nubes, lo que hace que se mezcle más aire seco desde arriba. "Estas nubes luego se evaporan más rápidamente, especialmente en un clima más cálido, "explica Lohmann." En un clima más cálido, el aire mezclado también tiene una humedad relativa más baja ". Debido a la evaporación más rápida, quedan menos nubes bajas, y más radiación de onda corta llega a la tierra y la calienta.

Las partículas de hollín envejecidas por ácido sulfúrico, por otra parte, hacer que se formen más cristales de hielo y hacer que las nubes cirros sean ópticamente más gruesas, es decir, son menos permeables a la radiación. Se extienden hasta la tropopausa, que se encuentra a una altitud de 10 a 18 kilómetros, y también permanecen más tiempo en las regiones más altas de la atmósfera. Como resultado, Los cirros absorben más radiación térmica de onda larga emitida por la Tierra y permiten que una menor cantidad de ella escape al espacio. El efecto de calentamiento de los cirros aumenta y exacerba el calentamiento global:cuando el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera se duplica en comparación con la época preindustrial, Ambos tipos de envejecimiento del hollín juntos conducen a un aumento de 0,4 a 0,5 grados C en el calentamiento global. Como resultado, el ciclo del agua se acelerará aún más y las precipitaciones globales aumentarán aún más, escriben los investigadores.

Estudios futuros, que incluyen aerosoles de incendios forestales, motores de aviones o automóviles, y combinar mediciones de campo y de laboratorio con simulaciones, podría dar una imagen aún más clara de los efectos de los aerosoles de hollín. También podrían ayudar a desarrollar estrategias para reducir las emisiones. "Esto no solo beneficiaría el clima y la calidad del aire, sino también la salud de las personas, "enfatiza Neubauer.