Un estudio revela cómo se producen las partículas de las nubes de la Amazonia

Científicos del experimento GoAmazon describen en la revista Nature el papel de las nubes como transportadoras de partículas entre la superficie del planeta y la alta atmósfera

Por Karina Toledo  |  Agência FAPESP – Un estudio dado a conocer el pasado 24 de octubre en la revista Nature dilucidó un misterio que desde hace más de una década intrigaba a los científicos: el origen de los aerosoles atmosféricos que alimentan a las nubes de la región amazónica en condiciones libres de polución atmosférica.

Estas partículas microscópicas suspendidas en el aire desempeñan un rol fundamental en el clima, pues dan origen a los llamados núcleos de condensación de nubes, las partículas sobre las cuales el vapor de agua presente en la atmósfera se condensa para formar las gotas de nubes y lluvia, según explicaron los autores.

De acuerdo con nuevos resultados de esta investigación, realizada con el apoyo de la FAPESP en el marco de la campaña científica Green Ocean Amazon Experiment (GoAmazon), las partículas precursoras de los núcleos de condensación de nubes se forman en la alta atmósfera y son transportadas hacia cerca de la superficie por las nubes y la lluvia.

“Hace al menos 15 años que veníamos intentando medir en suelo la formación de nuevas partículas de aerosoles en la Amazonia y el resultado era siempre igual a cero. Las nuevas partículas nanométricas sencillamente no aparecían en la Amazonia. Las mediciones se realizaban en suelo o con aviones volando a lo sumo a tres mil metros de altura. Pero la respuesta, a decir verdad, estaba mucho más arriba aún”, comentó Paulo Artaxo, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), en Brasil, y coautor del artículo.

Según Artaxo, quien coordina el Proyecto Temático “GoAmazon: la interacción de la pluma urbana de Manaos con emisiones biogénicas de la Selva Amazónica”, la selva emite naturalmente gases conocidos como compuestos orgánicos volátiles (VOCs, por sus siglas en inglés) –entre ellos terpenos y isoprenos–, que son transportados por la convección de las nubes hacia la alta atmósfera: pueden llegar a los 15 mil metros de altura, donde la temperatura se ubica en torno de los 55 °C negativos.

“Con el frio, los gases volátiles se condensan y forman partículas inicialmente muy pequeñas, de entre 1 y 5 nanómetros. Esas nanopartículas adsorben gases y se chocan unas con otras, se coagulan rápidamente y crecen hasta alcanzar un tamaño con el cual pueden actuar como núcleos de condensación de nubes, en general entre los 50 y 70 nanómetros”, explicó Artaxo.

En altitudes elevadas, añadió el investigador, el proceso de coagulación de las partículas se ve facilitado por la baja presión atmosférica, las bajas temperaturas y la gran cantidad de partículas presentes.

“Hasta que, llegada una determinada hora, una de esas gigantescas nubes convectivas genera una fuerte corriente de aire con vientos descendientes y, al precipitarse, trae consigo esas partículas hacia las proximidades de la superficie”, continuó Artaxo.

Un hallazgo sorprendente

Una parte de las mediciones que se presentan en el artículo se concretó en marzo de 2014 –durante el período de lluvias en la Amazonia– con un avión de investigación con capacidad para volar hasta los seis mil metros de altura. La aeronave, conocida como Gulfstream-1, pertenece al Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) de Estados Unidos.

Otro conjunto de datos se obtuvo entre marzo y mayo de 2014 en el laboratorio operado por el Instituto Nacional de Investigaciones de la Amazonia (Inpa), denominado Torre Alta de Observación de la Amazonia (ATTO, por sus la siglas en inglés), que tiene 320 metros de altura y está situado en la Reserva Biológica de Uatumã, un área de bosque ubicada 160 kilómetros al nordeste de Manaos (la capital del estado Amazonas), donde la polución urbana difícilmente llega.

Se realizaron mediciones de aerosoles complementarias en un conjunto de torres situado a alrededor de 55 kilómetros de Manaos en dirección al norte y conocido como ZF2. Y también en la ciudad de Manacapuru, situada a unos 100 kilómetros de Manaos en dirección al oeste, donde está instalada la infraestructura del Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Facility, un conjunto móvil de equipos terrestres y aéreos desarrollado para la realización de estudios climáticos y perteneciente al Departamento de Energía de Estados Unidos.

“Para nuestra sorpresa, observamos que la concentración de material en partículas aumentaba con la altura, cuando lo esperable sería hallar una cantidad mayor cerca de la superficie. Encontramos una cantidad muy grande de aerosoles en ese límite de vuelo de seis mil metros del Gulfstream-1”, comentó Luiz Augusto Toledo Machado, investigador del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) y coautor del artículo.

La observación inicial se confirmó cuando, en el marco del proyecto Acridicon-Chuva, coordinado por Toledo Machado y apoyado por la FAPESP, se realizaron nuevas mediciones con una aeronave de investigación alemana capaz de volar hasta los 16 mil metros de altura. Ese avión, denominado Halo (High Altitude and Long Range Research Aircraft) es administrado por un consorcio de investigación que incluye al Centro Alemán de Aeronáutica (DLR), al Instituto Max Planck (MPI) y a la Fundación Alemana de Investigación Científica (DFG).

“Notamos que en regiones contaminadas había una cantidad sumamente grande de material en partículas cerca de la superficie, cosa que no ocurría en las zonas libres de contaminación. Sin embargo, a alturas elevadas, encontrábamos una gran concentración de partículas, independientemente del grado de contaminación. Ahora, este trabajo muestra que la lluvia transporta esas nanopartículas hacia cerca de la superficie, donde forman nuevas poblaciones de material en partículas que actúan como núcleo de condensación de nubes”, dijo Toledo Machado.

Tal como consignó el investigador del Inpe, ya se sabía que la lluvia limpia la atmósfera, pero no se conocía hasta ahora el mecanismo mediante el cual se reponían los aerosoles. “Lo interesante fue haber aprendido que, al tiempo que la lluvia remueve aerosoles, trae consigo en sus corrientes descendientes los embriones [las nanopartículas] que, luego de crecer, recompondrán la concentración de aerosoles.”

Según Artaxo, esta observación resultó sorprendente, pues cuando se sobrepasa la capa límite planetaria –a alturas superiores a los 2.50 metros– se produce una inversión de temperatura que suele inhibir el movimiento vertical de las partículas. “Pero no habíamos tenido en cuenta el papel de las nubes convectivas como transportadoras de los gases que la selva emite”, dijo.

Los estudios realizados en el marco del experimento GoAmazon, añadió el investigador, están demostrando que los VOCs provenientes de las plantas forman parte de un mecanismo fundamental para la producción de aerosoles en áreas continentales.

“Los VOCs emitidos por la selva y las nubes generan una dinámica sumamente peculiar y producen enormes cantidades de partículas en altas altitudes, donde se creía que no existirían. Es la biología de la selva actuando junto con las nubes para mantener el ecosistema amazónico en funcionamiento”, subraya Artaxo.

Esos gases, según el investigador, son arrojados a la alta atmósfera, donde la velocidad del viento es sumamente grande, y se redistribuyen por el planeta de manera extremadamente eficiente. En el caso de la Amazonia, una parte es transportada a los Andes, una parte hacia el sur de Brasil y otra afecta a la propia región de la selva tropical. “En la actualidad estamos realizando trabajos de modelado para precisar cuáles son las zonas afectadas por las emisiones de VOCs en la Amazonia que son transportadas por la circulación atmosférica”, comentó el profesor de la USP.

Debido a que se lo desconocía hasta ahora, este mecanismo de producción de aerosoles no está contemplado en ningún modelo climático. “Es un conocimiento que deberá incluírselo, pues ayudará a dotar de mayor precisión a las simulaciones de lluvias”, afirmó Toledo Machado.

El investigador del Inpe subrayó también que este descubrimiento sólo fue posible gracias a los aviones de investigación que estuvieron en Manaos merced a las colaboraciones que se concretaron en el marco del experimento GoAmazon, una campaña internacional del Departamento de Energía de Estados Unidos que se lleva adelante en cooperación. “Brasil aún no cuenta con una aeronave laboratorio de ese porte, cosa que sería fundamental para el avance de las investigaciones atmosféricas”, dijo.

Además del Acridicon-Lluvia, coordinado por Toledo Machado, y del Proyecto Temático coordinado por Artaxo, cuenta también con el apoyo de la FAPESP el proyecto intitulado “Investigación colaborativa Brasil-EE.UU.: las modificaciones provocadas por la contaminación antrópica en la química de la atmósfera y en la microfísica de partículas de la selva tropical durante las campañas intensivas del GoAmazon”, coordinado por Henrique de Melo Jorge Barbosa, investigador del IF-USP.

Puede leerse el artículo intitulado Amazon boundary layer aerosol concentration sustained by vertical transport during rainfall en el siguiente enlace: nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature19819.html.