Los científicos de la NOAA descubren la sorprendente abundancia de nuevas nanopartículas en la estratosfera: impactos

Una clase de partículas de aerosol ultrafinas, hasta ahora desconocida pero muy extendida en las capas altas de la atmósfera terrestre, identificada por investigadores del Laboratorio de Ciencias Químicas (CSL) de la NOAA, ha revelado una importante laguna en la comprensión científica de una región clave de la atmósfera.

Nuevos aerosoles abundantes y ultrafinos

Las diminutas partículas capturadas durante los vuelos de investigación a gran altitud son aproximadamente 100 veces más pequeñas que una partícula de polvo. Se descubrió que eran sorprendentemente abundantes en las partes más bajas de la estratosfera, representando hasta el 90 % de la superficie total de aerosoles.

“Hasta ahora, estas partículas nos habían resultado prácticamente invisibles”, afirmó Ming Lyu, autor principal del estudio e investigador del Instituto Cooperativo de Investigación en Ciencias Ambientales, afiliado al CSL. “La mayoría de los instrumentos y satélites no las detectan porque son demasiado pequeñas, pero son muy abundantes y, por lo tanto, en conjunto, pueden tener un gran impacto”.

El estudio fue publicado en la revista Science.

Las superficies de los aerosoles constituyen la "plataforma de reacción" para diversas reacciones microfísicas y químicas en la atmósfera. La cantidad de superficie de las partículas determina la rapidez con la que pueden producirse ciertas reacciones químicas, incluidas aquellas que afectan al ozono estratosférico.

Los aerosoles estratosféricos también desempeñan un papel importante en el clima global de la superficie, ya sea reflejando la luz solar o absorbiendo la radiación terrestre. La dirección y la magnitud de este efecto dependen en gran medida del tamaño, la composición y la abundancia de estos aerosoles.

Un punto ciego en la monitorización atmosférica

El descubrimiento de estas “nanopartículas”, la mayoría con un diámetro inferior a 0,11 micras (µm), pone de manifiesto una deficiencia crítica en los métodos actuales de monitorización atmosférica. La mayoría de los instrumentos satelitales y de globos están diseñados para detectar partículas de mayor tamaño, lo que significa que estas abundantes nanopartículas habían pasado prácticamente desapercibidas.

Estos hallazgos fueron posibles gracias a instrumentación avanzada construida a medida por científicos de la NOAA, capaz de realizar mediciones precisas de partículas de hasta 0,003 µm (tres nanómetros) de diámetro. Los instrumentos se instalaron en el WB-57 de la NASA.aeronaves de gran altitud durante el ejercicio SABRE de la NOAA en febrero de 2023 Misión SABRE (Procesos Estratosféricos, Presupuesto y Efectos Radiativos) sobre el Ártico. Los vuelos SABRE realizan mediciones detalladas de las concentraciones de partículas estratosféricas, las distribuciones de tamaño, la composición química y numerosos gases traza.

Se descubrió que el modo de partículas ultrafinas recientemente identificado está asociado con niveles más altos de óxido nitroso (N₂O), que se emite en la superficie desde fuentes como la agricultura, la industria y la producción de energía, y que asciende a la estratosfera mediante corrientes ascendentes tropicales y tormentas convectivas. Mediante espectrometría de masas de partículas, los investigadores hallaron que las partículas transportadas desde altitudes más bajas son ricas en moléculas orgánicas.

“El modelo trata todas las partículas pequeñas como si fueran esencialmente solo sulfato, pero estamos viendo una gran contribución de compuestos orgánicos”, dijo Lyu. “Esta discrepancia podría generar errores en la forma en que simulamos el crecimiento de las partículas, la química del aire y los impactos radiactivos de los aerosoles”.

Implicaciones para la modificación de la radiación solar

Los hallazgos del equipo de investigación, integrado por científicos de la NASA, la Universidad de Wisconsin-Madison, la Universidad de Viena y otras instituciones, ponen de manifiesto el gran desconocimiento que aún existe sobre los posibles efectos de la inyección de aerosoles estratosféricos (SAI, por sus siglas en inglés), un método propuesto de intervención climática que inyectaría millones de toneladas de dióxido de azufre en la estratosfera para crear partículas de sulfato que reflejarían la luz solar y enfriarían el planeta. La NOAA no realiza experimentos de SAI en la atmósfera, pero sus científicos utilizan modelos informáticos para simular y comprender los efectos de los despliegues teóricos de SAI en los patrones meteorológicos y climáticos.

Estas nanopartículas no solo proporcionan una extensa superficie que impulsa reacciones químicas, sino que también actúan como un sumidero de condensación, absorbiendo gases químicos. De esta forma, pueden crecer lo suficiente como para reflejar la luz solar. Muchas estrategias de SAI proponen su despliegue en regiones tropicales o subtropicales de la baja estratosfera, precisamente donde predominan estas pequeñas partículas orgánicas.

Los modelos químico-climáticos actuales asumen que la mayoría de las partículas de aerosol en la estratosfera están compuestas de sulfato, lo que significa que no tienen en cuenta los cambios en la velocidad de las reacciones químicas que ocurren en las superficies de las nanopartículas ricas en materia orgánica. Los investigadores también descubrieron que el modelo que utilizaron no podía reproducir la distribución de tamaños de partículas en la baja estratosfera capturada durante los vuelos de SABRE.

“Si se piensa en inyectar vapor de dióxido de azufre u otros gases condensables en la estratosfera, estas pequeñas partículas de fondo serán las primeras a las que se adhiera el nuevo material”, afirmó Charles Brock, físico investigador del CSL y coautor del estudio. “Eso lo cambia todo en cuanto a cómo se diseñan y predicen los efectos”.

Para simular con mayor precisión los procesos estratosféricos, es necesario mejorar los instrumentos transportados por globos para detectar partículas de menos de 0,1 micrómetros, y realizar observaciones adicionales desde aeronaves en diferentes ubicaciones geográficas. Los científicos también tendrán que revisar sus modelos para capturar mejor el tamaño, la composición y el comportamiento de los aerosoles ricos en materia orgánica, según indicaron los autores.

“Comprender estas pequeñas partículas es fundamental para predecir cómo respondería la estratosfera a cualquier tipo de perturbación, ya sea natural, como un volcán, o provocada por el ser humano”, dijo Lyu.

Fuente: NOAA