Los resultados de un estudio de nubes y aerosoles realizado en las Azores revelaron que nuevas partículas pueden sembrar la formación de nubes en la capa límite marina, la atmósfera hasta aproximadamente un kilómetro sobre la superficie de la Tierra, incluso sobre el océano abierto. donde se esperaba que la concentración de gases precursores fuera baja. Imagen cortesía de la instalación para usuarios del Departamento de Energía de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) del Departamento de Energía de EE. UU. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Los nuevos resultados de un estudio atmosférico sobre el Atlántico Norte Oriental revelan que las diminutas partículas de aerosol que siembran la formación de nubes pueden formarse de la nada sobre el océano abierto. Esta "nueva formación de partículas" ocurre cuando la luz solar reacciona con moléculas de gases traza en la capa límite marina, la atmósfera dentro de aproximadamente el primer kilómetro sobre la superficie de la Tierra. Los resultados, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , mejorará la forma en que se representan los aerosoles y las nubes en los modelos que describen el clima de la Tierra para que los científicos puedan comprender cómo las partículas, y los procesos que las controlan, podrían haber afectado el pasado y el presente del planeta, y hacer mejores predicciones sobre el futuro.
"Cuando decimos 'formación de nuevas partículas, 'estamos hablando de moléculas de gas individuales, a veces solo unos pocos átomos de tamaño, reaccionando con la luz del sol, "dijo el coautor del estudio, Chongai Kuang, miembro del Departamento de Ciencias Ambientales y Climáticas del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. "Es interesante pensar en cómo algo de esa escala puede tener tal impacto en nuestro clima, en cuánta energía se refleja o queda atrapada en nuestra atmósfera, " él dijo.
Pero modelando los detalles de cómo se forman y crecen las partículas de aerosol, y cómo las moléculas de agua se condensan en ellos para convertirse en gotas de nubes y nubes, teniendo en cuenta cómo las diferentes propiedades de los aerosoles (p. ej., su tamaño, número, y distribución espacial) afectan esos procesos es extremadamente complejo, especialmente si no sabe de dónde provienen todos los aerosoles. Por eso, un equipo de científicos de Brookhaven y colaboradores de la investigación atmosférica en todo el mundo se propuso recopilar datos en un entorno oceánico relativamente prístino. En ese escenario, esperaban que la concentración de gases traza fuera baja y que la formación de nubes fuera particularmente sensible a las propiedades de los aerosoles, un "laboratorio" ideal para desenredar las complejas interacciones.
"Este fue un experimento que realmente aprovechó la experiencia amplia y colaborativa en Brookhaven en observaciones de aerosoles y observaciones de nubes, ", Dijo Kuang. Tres de los investigadores principales, los autores principales Guangjie Zheng y Yang Wang, y Jian Wang, investigador principal de la campaña Aerosol and Cloud Experiments in the Eastern North Atlantic (ACE-ENA):comenzó su participación en el proyecto mientras trabajaba en Brookhaven y ha seguido siendo estrechos colaboradores del laboratorio desde que se mudó a la Universidad de Washington en St. Louis en 2018.
Tierra y mar
El estudio utilizó una estación de muestreo terrestre a largo plazo en la isla Graciosa en las Azores (un archipiélago a 850 millas al oeste de Portugal continental) y un avión Gulfstream-1 equipado con 55 sistemas de instrumentos atmosféricos para tomar medidas a diferentes altitudes sobre el isla y mar adentro. Tanto la estación terrestre como la aeronave pertenecen a la instalación de usuario de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) de la Oficina de Ciencias del DOE, administrado y operado por un consorcio de nueve laboratorios nacionales del DOE.
El equipo voló el avión en "vuelos de marsopas, "ascendiendo y descendiendo a través de la capa límite para obtener perfiles verticales de las partículas y moléculas de gas precursor presentes a diferentes altitudes. Y coordinaron estos vuelos con mediciones tomadas desde la estación terrestre".
El científico atmosférico de Brookhaven Lab, Chongai Kuang (centro) con Art Sedlacek (izquierda) y Stephen Springston (derecha) a bordo del avión Gulfstream-159 (G-1) de ARM durante una misión de muestreo atmosférico de 2010 que no formó parte de este estudio. Crédito:Centro de usuario de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) del Departamento de Energía de EE. UU.
Los científicos no habían esperado que ocurriera la formación de nuevas partículas en la capa límite en este entorno porque esperaban que la concentración de los gases traza precursores críticos fuera demasiado baja.
"Pero había partículas que medimos en la superficie que eran más grandes que las partículas recién formadas, y simplemente no sabíamos de dónde venían, "Dijo Kuang.
Las medidas de la aeronave les dieron su respuesta.
"Este avión tuvo patrones de vuelo muy específicos durante la campaña de medición, Kuang dijo. "Vieron evidencia de que la formación de nuevas partículas estaba ocurriendo en lo alto, no en la superficie sino en la capa límite superior". La evidencia incluyó una combinación de concentraciones elevadas de partículas pequeñas, bajas concentraciones de superficie de aerosol preexistente, y señales claras de que los gases traza reactivos como el sulfuro de dimetilo se transportan verticalmente, junto con las condiciones atmosféricas favorables para que esos gases reaccionen con la luz solar.
"Luego, una vez que se forman estas partículas de aerosol, atraen moléculas de gas adicionales, que se condensan y hacen que las partículas crezcan hasta unos 80-90 nanómetros de diámetro. Estas partículas más grandes luego se transportan hacia abajo, y eso es lo que estamos midiendo en la superficie, "Dijo Kuang.
"Las mediciones de la superficie más las mediciones de la aeronave nos dan un sentido espacial realmente bueno de los procesos de aerosoles que están sucediendo, " El lo notó.
En un cierto tamaño, las partículas crecen lo suficiente como para atraer el vapor de agua, que se condensa para formar gotas de nubes, y eventualmente nubes.
Tanto las partículas de aerosol individuales suspendidas en la atmósfera como las nubes que finalmente forman pueden reflejar y / o absorber la luz solar y afectar la temperatura de la Tierra. Kuang explicó.
Usando una aeronave equipada con 55 sistemas de instrumentos atmosféricos, Los científicos atravesaron pistas horizontales por encima y a través de las nubes y descendieron en espiral a través de las capas atmosféricas para proporcionar mediciones detalladas de los aerosoles y las propiedades de las nubes. Los datos de la aeronave se complementaron con mediciones realizadas por radares terrestres y otros instrumentos. Crédito:Centro de usuario de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) del Departamento de Energía de EE. UU.
Implicaciones del estudio
Entonces, ahora que los científicos saben que se están formando nuevas partículas de aerosol sobre el océano abierto, ¿Qué pueden hacer con esa información?
"Tomaremos este conocimiento de lo que está sucediendo y nos aseguraremos de que este proceso se capture en simulaciones del sistema climático de la Tierra, "Dijo Kuang.
Otra pregunta importante:"Si este es un entorno tan limpio, Entonces, ¿de dónde vienen todos estos gases precursores? ", preguntó Kuang." Hay algunos gases precursores importantes generados por la actividad biológica en el océano (por ejemplo, sulfuro de dimetilo) que también puede conducir a la formación de nuevas partículas. Ese puede ser un buen estudio complementario de este:explorar esas fuentes ".
Comprender el destino de los gases biogénicos como el sulfuro de dimetilo, que es una fuente muy importante de azufre en la atmósfera, es clave para mejorar la capacidad de los científicos para predecir cómo los cambios en la productividad de los océanos afectarán la formación de aerosoles y, por extensión, clima.
