Los enlaces en color gris lo llevan a páginas en Inglés aún no traducidas al Español.

Aerosoles, Nucleación de Nubes y Obscurecimiento Global

Smoke from factoriesEl calentamiento global inducido por los gases de invernadero reciben gran cobertura de prensa, pero este no es el único problema de cambio climaático que está experimentando nuestro planeta. Las emisiones de minúsculas partículas hacia nuestra atmósfera conocidas como aerosoles, también están afectando nuestro clima. Los aerosoles provienen tanto de fuentes naturales (como tormentas de polvo, erupciones volcánicas y fuegos) como de fuentes antropogénicas (sobre todo centrales eléctricas que usan carbón y motores de combustión interna de automóviles y camiones). Los aerosoles alteran el presupuesto de energía de la Tierra (algunos dispersan o reflejan la luz, mientras que otros absorben gran parte de la energía solar) y causan cambios al ciclo del agua (los aerosoles desempeñan un papel crítico en la formación de nubes y gotas de agua). Los efectos generales de los aerosoles son complejos porque hay gran cantidad de diversos tipos de ellos, que influyen sobre diversos aspectos del clima de muchas maneras.

Veamos estos aerosoles con particular énfasis en el impacto que ejercen sobre el clima de la Tierra. Aquí están los puntos más importantes:

  • ¿Qué son aerosoles? ¿Cuáles son los diversos tipos de aerosoles? ¿De dónde vienen? (fuentes naturales y antropogénicas)
  • ¿Qué papel desempeñan los aerosoles en la atmósfera de la Tierra? Los aerosoles actúan como núcleos de condensación de las nubes, alteran el albedo (directamente e indirectamente a través de las nubes), y por tanto el presupuesto de radiación de la Tierra, y sirven como catalizadores de o lugares donde ocurren reacciones químicas atmosféricas.
  • ¿Qué es "oscurecimiento global" y qué papel desempeñan los aerosoles en este fenómeno?

Aerosoles, Fundamentos: Fuentes y Tipos

Los aerosoles son pequeñas partículas que derivan en nuestra atmósfera. Los aerosoles no son gases. Los aerosoles son usualmente sólidos , aunque algunos son minúsculas gotitas líquidas. Las partículas de los aerosoles son suficientemente pequeñas y ligeras para no caer rapidamente del aire por influencia de la gravedad; algunos aerosoles permanecen a la deriva por algunas horas, mientras que otros pueden permanecer durante años.

¿Cuán pequeños son los aerosoles? Los aerosoles varía de tamaño desde 10 nanómetros hasta 100 micrones de diámetro. Las partículas más pequeñas tienen tan sólo algunas moléculas de ancho, mientras que las más grandes tienen un grosor similar al del cabello humano. Una gota de lluvia típica tiene cerca de 2 milímetros (2 000 micrones) de diámetro, mientras que una gotita de nube típica tiene cerca de 20 micrones de ancho.

Sizes of droplets and aerosol particles

Este dibujo muestra los tamaños relativos de una gota de lluvia típica, una gotita de agua en una nube, una partícula de aerosol extremadamente grande, y una partícula de aerosol más pequeña, de tamaño más típico. Existen incluso partículas de aerosol más pequeñas; algunos tan pequeñas como 10 nanómetros (0.01 micrón) de grosor. Esas partículas serían invisibles inclusive a esta escala magnificada.
Créditos: Trabajo artítico original del miembro del equipo de Ventanas al Universo (Randy Russell).

Los científicos usan diversos esquemas para clasificar aerosoles; por su fuente o método de formación, por la forma como interactúan con la luz solar, y por sus características químicas. Veamos primero las principales fuentes de aerosoles.

Los aerosoles se generan de forma natural y como resultado de actividades humanas. El polvo, sobre todo en forma de finas partículas minerales, es la principal fuente natural de aerosoles. Las grandes tormentas sobre los desiertos y otras regiones áridas pueden levantar partículas de polvo hacia la atmósfera, permitiendo que deriven con el viento hasta cientos de kilómetros de la fuente de origen. El rocío marino se considera la segunda fuente natural de aerosoles mas común, en forma de diferentes tipos de sales. Estos aerosoles vuelven a caen al océano cerca del lugar donde se originaron. Las grandes erupciones volcánicas lanzan al aire grandes nubes de finas partículas de cenizas, que a veces llegan hasta la estratosfera. Las cenizas de grandes erupciones pueden permanecer en lo alto durante meses y hasta años, y pueden desplazarse alrededor del globo terráqueo. Los fuegos de bosques y praderas crean partículas de ollín como parte del humo que emiten. El fitoplancton marino también es responsable, indirectamente, de la producción de grandes cantidades de aerosoles. Explicaremos esto en más dettalle cuenao describamos las emisiones de aerosoles primarias y secundarias. Igualmente, la vegetación en tierra emite gases, tales como compuestos orgánicos volátiles (VOC, por sus siglas en Inglés), que contribuyen a emisiones secundarias de aerosoles.

Dust storm
Smoke from fires
Volcanic ash

Estas imágenes muestran tres de las fuentes de aerosoles atmosféricos más importantes que pueden influenciar el clima de la Tierra: polvo soplado por los vientos, ollín de los fuegos, y cenizas de erupciones volcánicas.
Créditos: Departamento de Defensa de EE.UU., foto por M. Garcia, Marine Corps de EE.UU (sandstorm) Cpl. Alicia; Corporación Universitaria de Investigaciones Atmosféricas (fuegos de pozos de petróleo); y la Corporación Universitaria de Investigaciones Atmosféricas, fotografía de Caspar Ammann (una erupción volcánica).

Los aerosoles antropogénicos (producidos por los humanos) comprenden cerca de un 10 por ciento de la cantidad de aerosoles presentes en nuestra atmósfera. Las minúsculas partículas de carbón negro o de ollín, son un componente importante del humo producido por muchas clases de quemas. Las centrales eléctricas que queman carbón generan grandes cantidades de carbón negro que con frecuencia alcanzan lo alto de la atmósfera por emisiones de altas chimeneas. Los motores de combustión interna en coches, camiones, y vehículos de construcción también emiten gran cantidad de carbón negro. Los motores diesel son especialmente prolíficos productores de este tipo de aerosol. Las actividades de los seres humanos también aumentan la cantidad de polvo mineral de aerosol que se genera. La desertificación, la destrucción de plantas que ayudan a prevenir la erosión de los suelos por el viento, y grandes obras de construcción son las principales fuentes antropogénica de los aerosoles de polvo. Finalmente, gases contaminantes como óxidos de sulfuro y óxidos de nitrógeno, emitidos por la combustión de combustibles fósiles, y una variedad de procesos industriales, pueden generar emisiones secundarias de aerosoles como resultado de reacciones químicas en la atmósfera.

¿Cuál es el concepto de emisiones primarias versus emisiones secundarias de aerosoles? Es posible que conjetures que las emisiones primarias son las fuentes del aerosol que proyectan directamente partículas de aerosoles hacia el aire. El polvo, cenizas volcánicas, y carbón negro de varios tipos de quemas son ejemplos de emisiones primarias. Las emisiones secundarias son sustancias que no son aerosoles cuando son originalmente emitidas, pero que más adelante experimentan una cierta reacción química en la atmósfera que las transforma en aerosoles. Por ejemplo, el gas bióxido de sulfuro (SO2) es emitido por los volcanes, fuegos, plantas eléctricas que queman carbón, la incineración de basura, y otras fuentes. En la atmósfera, las reacciones químicas y la combinación con agua pueden transformar el bióxido de sulfuro en gotitas de ácido sulfúrico, un aerosol líquido que ayuda a que se forme la lluvia ácida. El ácido sulfúrico puede también combinar con el ammoníaco (NH3) gaseoso (NH 3) para formar una sal de amonio sólido, sulfato de amonio ([NH4]2[SO4 ). De esta manera, las emisiones de bióxido de sulfuro gaseoso puede eventualmente producir aerosoles múltiples en estados líquido y sólido. Los gases de óxido de sulfuro y de óxido de nitrógeno generados por procesos naturales y antropogénicos, son las fuentes de emisiones secundarias de aerosoles más frecuentes. La exposición a la radiación solar, a menudo en forma de fotones ultravioletas y a veces en altas altitudes, con frecuencia son parte integral de la transformación de estos gases en aerosoles.

Sulfur dioxide Nitric oxide

El dióxido de sulfuro (izquierda) y el óxido nítrico (centro) son dos gases que a menudo se transforman en aerosoles (emisiones secundarias). Las reacciones químicas en la atmósfera convierten estos (y otros) gases, en aerosoles líquidos o sólidos. En muchos casos, la radiación electromágnetica solar (con frecuencia fotones ultravioletas de gran energía) suministra la energía necesaria para estas reacciones. La animación (derecha) ilustra la fotodisociación de una molécula de nitrógeno.
Créditos: El dibujo de las dos moléculas (izquierda y centro) son ilustraciones originales del miembro de Ventanas al Universo (Randy Russell). La animación de fotodisociación (derecha) fue proporcionada por el programa COMET.

¿Qué papel desempeñan los aerosoles en la atmósfera de la Tierra?

La presencia de aerosoles en la atmósfera de la Tierra influencia el clima de tres formas claves. Los aerosoles alteran el albedo, cambiando la cantidad de energía solar que llega a la superficie del planeta y lo que es absorbido a varios niveles de la atmósfera. Los aerosoles también desempeñan un papel importante en la formación de varios tipos de nubes a varias altitudes. Finalmente, los aerosoles ayudan a acelerar o suprimir diferentes tipos de reacciones químicas en la atmósfera, generando importantes, pero difíciles de estudiar, efectos sobre los papeles que juegan muchos compuestos presentes en la atmósfera sobre el clima.

Diversos aerosoles interactúan con la luz solar (y otras radiaciones electromágneticas) de diferentes maneras. La sal del mar no absorbe luz solar, pero el polvo mineral si. Como es de imaginar, el carbón negro es un buen absorbedor de la luz. Todos los aerosoles, incluyendo los aerosoles de sulfato y de nitrato, dispersan la luz en cierto grado. Aerosoles de diversos tipos pueden, por tanto, influenciar el clima de una o más maneras. Muchos aerosoles dispersan la luz solar hacia el espacio, aumentando efectivamente el albedo de la Tierra, y ejerciendo un efecto que refresca el planeta. Sin embargo, los aerosoles que también absorben luz solar (especialmente el carbón negro) aumentan eficazmente el albedo que calienta la atmósfera circundante cuando reirradian la energía absorbida en la porción infrarroja del espectro. Observe que tal absorción y calentamiento pueden ocurrir cerca de la superficie de la Tierra o muy alto sobre ella, en la estratosfera, y que el lugar de este calentamiento puede ejercer una gran diferencia en términos del efecto global sobre el clima.

Los aerosoles desempeñan un papel fundamental en la formación de nubes. Las nubes forman como parcelas de aire frío y el vapor de agua en ellas condensa, formando pequeñas gotitas líquidas de agua. Sin embargo, bajo circunstancias normales, estas gotitas se forman unicamente donde hay un cierto "disturbio" del aire "puro". En general, las partículas de aerosol proporcionan este "disturbio". Las partículas alrededor de las cuales se unen las gotitas de la nube se llaman núcleos de condensación de la nube (CCN) o "semillas de nubes". ¡Asombroso es que en ausencia de CCN, el aire que contiene el vapor de agua necesita ser "sobresaturado" a una humedad de cerca de 400% antes de que se formen gotitas de forma espontánea! Así pues, en casi todas las circunstancias, los aerosoles desempeñan un papel fundamental en la formación de nubes.

Cumulus cloud
Cirrus clouds

Hay diversos tipos de nubes. Cada uno juega un papel importante en la determinación de clima, desde la producción de precipitación hasta el alterar dramático del albedo de nuestro planeta. La temperatura, altitud, y humedad determinan qué tipos de nubes se forman en diversos lugares. Menos conocido es el papel crítico que juegan los aerosoles en la formación de las nubes, los cuales hacen las veces de núcleos o "semillas de nubes". La abundancia, los tamaños, y las características químicas de estos aerosoles influencian los tipos de nubes generadas y las tasas de formación.
Credits: Imágenes cortesía de la Corporación Universitaria de Investigaciones Atmosféricas, Foto de nube cúmulo (izquierda) por Carlye Calvin. Foto de nube Cirro (derecha) por Caspar Ammann.

Como hemos visto, no todos los aerosoles son iguales. Como es de esperar, diversos aerosoles desempeñan diversos papeles en la formación de la nube. Los aerosoles vienen en diversos tamaños y son almacenados en diferentes alturas de la atmósfera. Diversos tipos de nubes existen en diversas alturas. Algunas nubes tienen gotitas más pequeñas que otras; las nubes con gotitas más pequeñas tienen un albedo más alto, mientras que las nubes con gotitas más grandes son más propensas a producir la precipitaciones. La temperatura y la humedad desempeñan papeles dominantes en la determinación de los tipos de nubes que se forman en un lugar determinado, también los aerosoles. La abundancia, los tamaños y los tipos de aerosoles son ingredientes en la formación de las nubes. Cualquier alteración en la mezcla normal de aerosoles, sea debido a acontecimientos naturales como erupciones volcánicas, fuegos o a emisiones antropogénicas de la quema de combustible fósiles, que tiende a alterar los tipos y la cantidad de nubes que aparecen en esa región o viento debajo de ellas. Los cambios a las nubes alteran la entrada de energía solar vía albedo alterado, alteran patrones de precipitación, y alteran la fuerza del efecto invernadero. Estos cambios afectan áreas grandes, pero no son uniformes a escala global. Podría haber más nubes en un área determinada, menos en otras áreas, y en otras áreas podría haber una abundancia cambiante de nubes a elevada altitud. Tales cambios afectan al clima de forma importante y compleja.

Finalmente, las características químicas de los aerosoles pueden desempeñar un papel importante en sus habilidades de influenciar el clima. Algunos son relativamente inertes, otros son altamente reactivos, y algunos reaccionan fuertemente unicamente con ciertas sustancias. Las reacciones químicas que envuelven aerosoles, pueden generar sustancias nuevas que influyen el clima, o pueden disminuir las cantidades de otro tipo de productos químicos en la atmósfera, alterando nuevamente el equilibrio existente. Las reacciones pueden hacer que los aerosoles crezcan, alterando su capacidad de absorber o de dispersar la luz u otras radiaciones electromagnéticas. Los aerosoles también pueden servir como plataformas sobre las cuales se acumulan otras sustancias, aumentando los índices de ciertas reacciones químicas que de otra manera serían demasiado poco frecuentes como para darles importancia debido a bajos índices de colisiones moleculares. Los detalles de la química atmosférica que involucran aerosoles son complejos, y hoy los científicos están investigando activamente este campo.

¿Qué es "oscurecimiento global" y de qué manera están involucrados los aerosoles?

Desde los años 50 los científicos han estado realizando medidas sistemáticas de la cantidad de luz solar que llega hasta la superficie de la Tierra. Descubrieron que durante tres décadas a partir de 1960 a 1990, el brillo mundial promedio del Sol disminuyó cerca de 4%. Este fenómeno ha sido conocido como "oscurecimiento global".

Los científicos creen que los aerosoles emitidos como resultado de actividades humanas son la causa más probable del oscurecimiento global. Recuerda que algunos aerosoles dispersan luz solar de regreso al espacio, mientras otros (especialmente el carbón negro) absorben luz solar. También, puesto que los aerosoles sirven como núcleos de la condensación de las nubes, un aumento en aerosoles podría generar más nubes. Las nubes, por supuesto, tienen un albedo muy alto, y tienden a reflejar luz del sol aún más hacia el espacio. En cada caso, cierta cantidad de luz del sol sería bloqueada de la superficie de la tierra; el resultado sería el oscurecimiento evidente del sol visto de la superficie del planeta.

Aerosol pollution over India
Aerosol pollution over China

Estas dos imágenes satelitales muestran cómo los aerosoles pueden obscurecer la Tierra y el mar bajo ellos, bloqueando luz solar entrante. A la izquierda, aerosoles al noreste de la India y Bangladesh obscurecen parcialmente el río Ganges y luego se desplazan sobre la bahía de Bengala. Observa cómo el aire sobre el Himalaya, cerca de la parte superior de la imagen, se ve más claro. A la derecha, el humo de docenas de fuegos (lado izquierdo de la imagen) en China, se remolina a lo largo de los valles y luego hacia la bahía de Bo Hai (esquina superior derecha) en vía hacia Corea y el Océano Pacífico.
Créditos: Imágenes cortesía de Jacques Descloitres, MODIS Land Rapid Response Team, NASA GSFC.

Una reducción de luz solar en la superficie de la Tierra tiende a reducir la temperatura superficial. De manera que el debilitamiento global probablemente haya contribuido a una disminución de la temperatura superficial de la Tierra. A los científicos de clima les preocupa que este efecto pudiera haber detonado parcialmente el calentarmiento global generado por el aumento de gases invernadero. ¿Por qué una inquietud? A corto plazo, una reducción en el calentamiento global parecería algo positivo. Sin embargo, podría dar un falso sentido de seguridad parcial a la vez que enmascara la severidad del problema generado por los gases invernadero, haciendo que tomemos acción de forma menos pronta que la que deberíamos para atenuar este problema.

El debilitamiento global también podría interferir con el ciclo del agua. Menos luz solar sobre el agua (especialmente en los océanos) conduce a una baja tasa de evaporación. Esto podría ser responsable de sequías en algunas regiones.

Por supuesto, existen causas naturales en la variación de cantidad de luz solar sobre la superficie de la Tierra. En un lapso de más de 11 años del ciclo de mancha solar, el brillo del sol varía; pero sólo un 0.1% de longitudes de ondas visibles . Las grandes erupciones volcánicas lanzan grandes nubes de cenizas hacia la atmósfera y generan efectos similares a los causados por algunas fuentes antropogénicas de aerosoles. Sin embargo, la ceniza volcánica no persiste en la atmósfera durante más de varios meses o unos cuantos años como mucho. Los científicos están enterados de las erupciones de envergadura que han ocurrido en años recientes, y por lo tanto, pueden "restarlos" de los efectos y de los cambios en el brillo de la luz solar a lo largo del ciclo solar. Después de esta substracción, todavía persiste la tendencia de oscurecimiento global. ¡Al menos hasta los años 90!

Más recientemente, parece ser que el oscurecimiento global se ha invertido. Desde los años 90, en vez de continuar el debilitamiento, ha habido una tendencia hacia la iluminación. Los científicos de clima creen que los requisitos más rigurosos para la industria, especialmente en Europa y en Norteamérica, han generado significativas disminuciones en las emisiones de aerosol de esas regiones. La Ley "aire limpio" en los Estados Unidos de Norteamérica, y políticas similares en Europa, han reducido emisiones de aerosol en aproximadamente 50%. Un aire más limpio es, por supuesto, algo muy bueno. Sin embargo, el acabar con el efecto de debilitamiento global debería aumentar la cantidad de luz solar que llega hasta la superficie de la Tierra con respecto al pasado reciente. El aumento en la radiación incidente, conjuntamente con el efecto, cada vez mayor, de invernadero debido a las emisiones de gases de invernadero, podrían conllevar a un índice acelerado de calentamiento global.

El efecto de aerosoles sobre el clima es una área de investigación bastante activa. Al igual que con la mayoría de los aspectos de ciencia del clima, los temas implicados son complejos. Para estar seguros de que en los años futuros la tendencia de debilitamiento del clima global desaparezca o sea invertido, necesitamos continuar tomando medidas. El efecto de aerosoles en las nubes y el clima no es tan simple como, "más aerosoles significa más nubes y mayor albedo y en consecuencia, menos luz en la superficie y por ende, aire más fresco". Los científicos de clima deben determinar qué tipos de nubes se producen a determinadas altitudes a causa de varias combinaciones de aerosoles. Algunas nubes generadas por los aerosoles tienen particularmente gotitas pequeñas, y por ende son particularmente buenas para reflejar la luz solar. Otras tienen gotitas más grandes y tienden para generar lluvia (¡en ciertas áreas geográficas!), lo cual altera el ciclo del agua. Aunque la nubosidad creciente bloquea luz solar entrante durante el día, también bloquea la radiación infrarroja saliente durante la noche, realzando el efecto invernadero. Aunque el carbón negro evita que la luz solar llegue a la superficie de la tierra, la luz que absorbe se regresa en forma de calor hacia las capas atmosféricas en donde se encuentra se encuentra presente. Los científicos todavía tienen mucho que aprender sobre cómo las alteraciones en el flujo de energía en varias elevaciones afectan el carácter total de esas capas atmosféricas.

Última modificación el 29 de mayo de 2007 por Randy Russell.

Ventanas al Universo, un proyecto de la Asociación Nacional de Maestros de Ciencias de la Tierra, es patrocinado parcialmente por la Fundación Nacional para las Ciencias y NASA, nuestros Socios Fundadores (la Unión Geofísica Americana y el Instituto Americano de Geociencias) al igual que nuestros Socios Institucionales, Contribuyentes, y Afiliados, membresía individual y generosos donantes. ¡Gracias por su apoyo! NASA ESIP NCSE HHMI AGU AGI AMS NOAA