Cuando una gota de lluvia cae por la atmósfera, puede atraer a su superficie decenas o incluso cientos de pequeñas partículas de aerosol antes de llegar al suelo. El proceso mediante el cual las gotas y los aerosoles se atraen se denomina coagulación, un fenómeno natural que puede servir para depurar el aire de contaminantes como el hollín, los sulfatos y las partículas orgánicas.
Los químicos atmosféricos del MIT han determinado ahora con precisión hasta qué punto la lluvia es eficaz para limpiar la atmósfera. Con la altitud de una nube, el tamaño de sus gotas y el diámetro y la concentración de los aerosoles, el equipo puede predecir la probabilidad de que una gota de lluvia arrastre una partícula fuera de la atmósfera.
Los investigadores llevaron a cabo experimentos en la cámara MIT Collection Efficiency Chamber del grupo, una cámara de vidrio de 3 pies de altura que genera gotas de lluvia individuales a un ritmo y tamaño controlados. Mientras las gotas caían por la cámara, los investigadores introducían partículas de aerosol y medían la velocidad a la que las gotas y los aerosoles se unían, es decir, se coagulaban.
A partir de las mediciones, calcularon la eficiencia de coagulación de la lluvia, es decir, la capacidad de una gota para atraer partículas mientras cae. En general, comprobaron que cuanto más pequeña era la gota, más probable era que atrajera una partícula. Las condiciones de baja humedad relativa también parecían favorecer la coagulación.
Dan Cziczo, profesor asociado de química atmosférica del MIT, afirma que los nuevos resultados, publicados este mes en la revista Atmospheric Chemistry and Physics, representan los valores de coagulación más precisos obtenidos hasta la fecha. Según afirma, estos valores pueden extrapolarse para predecir el potencial de la lluvia para eliminar una serie de partículas en diversas condiciones ambientales.
“Supongamos que eres modelizador y quieres saber cómo una nube sobre Boston limpia la atmósfera frente a una nube sobre Chicago, que está mucho más alta: queremos que puedas hacerlo con el número de eficiencia de coagulación que producimos”, afirma Cziczo. “Esto puede ayudar a abordar cuestiones como la calidad del aire y la salud humana, así como el efecto de las nubes sobre el clima.”
Los coautores del artículo son Karin Ardon-Dryer, investigadora posdoctoral, y Yi-Wen Huang, antiguo investigador posdoctoral.
Sobreestimación de la lluvia
El grupo de Cziczo no es el primero en simular en laboratorio la interacción entre la lluvia y los aerosoles. Durante la última década, otros han construido complejas cámaras para seguir la coagulación. Pero los investigadores del MIT comprobaron que estos eventos eran muy raros y extremadamente difíciles de detectar. Los científicos sabían que la carga eléctrica de una gota desempeña un papel importante en la atracción de partículas, por lo que Cziczo y sus colegas comenzaron a alterar las cargas de las gotas y de las partículas para forzar que se produjera la coagulación.
“Aquí es donde realmente empezamos a meternos en problemas como científicos”, afirma Cziczo refiriéndose al campo. “Para que el proceso funcionara de verdad, la gente lo ajustaba a un rango que no era relevante para la atmósfera.”
Como resultado, los investigadores observaban muchos más eventos de coagulación. Sin embargo, los resultados se basaban en cargas eléctricas muy superiores a las observadas en la atmósfera.
“En algunos casos veíamos que se usaban 10 o 100 veces la carga, algo que quizá solo podría observarse en el centro de la tormenta eléctrica más severa jamás registrada”, afirma Cziczo.
Según Cziczo, los experimentos sobreestimaron esencialmente los efectos limpiadores de la lluvia.
Despojar a una gota
Para obtener una imagen más precisa de la coagulación, el grupo de Cziczo construyó una nueva cámara con un generador de gotas individuales, un instrumento que puede calibrarse para producir gotas individuales de un tamaño, frecuencia y carga específicos. Por lo general, los generadores de gotas transfieren demasiada carga a cada gota. Para producir las cargas eléctricas que las gotas realmente tienen en la atmósfera, el equipo utilizó una pequeña fuente radiactiva para eliminar una pequeña cantidad de carga de cada gota.
A continuación, el equipo introdujo en la parte inferior de la cámara partículas de aerosol de tamaño conocido. Al caer hacia el suelo, las gotas se evaporaban y dejaban solo sal y, si se producía coagulación, también aerosoles. Las partículas residuales se conducían después a través de un espectrómetro de masas de partícula única, que determinaba si la sal, y por tanto la gota, había atraído un aerosol.
Los investigadores realizaron múltiples experimentos, variando la humedad relativa de la cámara, así como el tamaño y la frecuencia de las gotas. Calcularon la eficiencia de coagulación en cada ensayo y comprobaron que las gotas más pequeñas tenían más probabilidades de atraer aerosoles, especialmente en condiciones de baja humedad relativa.
En última instancia, según Cziczo, una mejor comprensión de las interacciones entre partículas y gotas dará a los científicos una idea más clara de la trayectoria del cambio climático: una de las principales incertidumbres en las proyecciones del calentamiento global es cómo afectarán los gases de efecto invernadero a la formación de nubes. Como las nubes desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento del balance radiativo de la Tierra (cuánto calor queda atrapado o escapa), Cziczo afirma que es esencial comprender la relación entre las gotas de agua de una nube y las partículas de la atmósfera.
“Este tipo de datos escasea en la bibliografía y debería mejorar las simulaciones de los modelos sobre cómo las gotas de nubes y niebla pueden captar partículas de aerosol”, afirma Margaret Tolbert, catedrática de química y bioquímica de la Universidad de Colorado, que no participó en el estudio. “Mejorar la comprensión de la microfísica de los aerosoles acaba ayudando a predecir la calidad del aire y el cambio climático, ya que los aerosoles son fundamentales para ambos.”
Esta investigación fue financiada, en parte, por la National Oceanic and Atmospheric Administration.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
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Autora: Jennifer Chu es colaboradora externa de MIT News.
Imagen: Un arcoíris se cierne sobre los aerogeneradores que producen electricidad cerca de la localidad vasca española de Durango. REUTERS/Vincent West
