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Carbono negro

El carbono negro se encuentra en todo el mundo, pero su presencia e impacto son particularmente fuertes en Asia.
El carbono negro está en el aire y circula por todo el planeta.
El carbono negro viaja a través de las corrientes de viento desde las ciudades asiáticas y se acumula en la meseta tibetana y las estribaciones del Himalaya .

El carbono negro ( BC ) es la forma refractaria que absorbe la luz del carbono elemental que queda después de la pirólisis (por ejemplo, el carbón vegetal ) o que se produce por una combustión incompleta (por ejemplo, el hollín ).

Tihomir Novakov acuñó el término carbono negro en la década de 1970, después de identificar el carbono negro como materia particulada fina (PM ≤ 2,5  μm de diámetro aerodinámico ) en aerosoles. El carbono negro en aerosol se presenta en varias formas vinculadas. Formado a través de la combustión incompleta de combustibles fósiles , biocombustibles y biomasa , el carbono negro es uno de los principales tipos de partículas de hollín [1] tanto en el hollín antropogénico como en el natural . [2] [ necesita cita para verificar ] Como hollín, el carbono negro causa enfermedades y muerte prematura. [2] Debido a estos impactos en la salud humana, muchos países han trabajado para reducir sus emisiones, lo que lo convierte en un contaminante fácil de reducir en fuentes antropogénicas. [3]

En climatología , el carbono negro en aerosol es un agente forzante del clima que contribuye al calentamiento global . El carbono negro calienta la Tierra al absorber la luz solar y calentar la atmósfera y al reducir el albedo cuando se deposita sobre la nieve y el hielo (efectos directos) e indirectamente por interacción con las nubes, con un forzamiento total de 1,1 W/m2 . [ 4] El carbono negro permanece en la atmósfera solo unos días o semanas. En contraste, los potentes gases de efecto invernadero tienen ciclos de vida más largos. Por ejemplo, el dióxido de carbono (CO2 ) tiene una vida atmosférica de más de 100 años. [5] El IPCC y otros investigadores del clima han postulado que reducir el carbono negro es una de las formas más fáciles de frenar el calentamiento global a corto plazo. [6] [7]

El término carbono negro también se utiliza en la ciencia del suelo y la geología , refiriéndose al carbono negro atmosférico depositado o al carbono negro incorporado directamente por los incendios de vegetación. [8] [9] Especialmente en los trópicos, el carbono negro en los suelos contribuye significativamente a la fertilidad, ya que puede absorber importantes nutrientes para las plantas. [10]

En climatología, la eliminación del carbono del biocarbón secuestra el carbono atmosférico en forma de carbono negro para desacelerar el calentamiento global.

Descripción general

Michael Faraday reconoció que el hollín estaba compuesto de carbono y que se producía por la combustión incompleta de combustibles que contenían carbono. [11] El término carbono negro fue acuñado por el físico serbio Tihomir Novakov , conocido como "el padrino de los estudios sobre el carbono negro" por James Hansen , en la década de 1970. [12] El humo o el hollín fue el primer contaminante en ser reconocido por tener un impacto ambiental significativo , pero uno de los últimos en ser estudiado por la comunidad de investigación atmosférica contemporánea.

El hollín está compuesto por una mezcla compleja de compuestos orgánicos que absorben débilmente en la región espectral visible y un componente negro altamente absorbente que se denomina de diversas formas "elemental", "grafítico" o "carbono negro". El término carbono elemental se ha utilizado en conjunción con determinaciones químicas térmicas y húmedas y el término carbono grafítico sugiere la presencia de estructuras microcristalinas similares al grafito en el hollín, como se evidencia mediante espectroscopia Raman . [13] El término carbono negro se utiliza para implicar que este componente del hollín es el principal responsable de la absorción de la luz visible. [14] [15] El término carbono negro se utiliza a veces como sinónimo tanto del componente elemental como del grafítico del hollín. [16] Se puede medir utilizando diferentes tipos de dispositivos basados ​​en la absorción o dispersión de un haz de luz o derivados de mediciones de ruido. [17]

Intentos tempranos de mitigación

Los desastrosos efectos de la contaminación por carbón sobre la salud y la mortalidad humanas a principios de los años 50 en Londres dieron lugar a la Ley de Aire Limpio de 1956 del Reino Unido, que dio lugar a reducciones drásticas de las concentraciones de hollín en el Reino Unido, seguidas de reducciones similares en ciudades estadounidenses como Pittsburgh y St. Louis. Estas reducciones se lograron en gran medida mediante la disminución del uso de carbón blando para la calefacción doméstica, pasando a utilizar carbón "sin humo" u otras formas de combustible, como el fueloil y el gas natural. La reducción constante de la contaminación por humo en las ciudades industriales de Europa y Estados Unidos provocó un cambio en el énfasis de la investigación, que se alejó de las emisiones de hollín y el descuido casi total del carbono negro como componente significativo de los aerosoles, al menos en Estados Unidos.

Sin embargo, en la década de 1970, una serie de estudios cambiaron sustancialmente este panorama y demostraron que el carbono negro, así como los componentes orgánicos del hollín, seguían siendo un componente importante de los aerosoles urbanos en los Estados Unidos y Europa [15] [18] [19], lo que condujo a mejores controles de estas emisiones. En las regiones menos desarrolladas del mundo donde había controles limitados o nulos sobre las emisiones de hollín, la calidad del aire siguió degradándose a medida que aumentaba la población. No fue sino hasta muchos años después que se comprendió que, desde la perspectiva de los efectos globales, las emisiones de estas regiones eran extremadamente importantes.

Influencia en la atmósfera terrestre

La mayoría de los avances mencionados anteriormente se relacionan con la calidad del aire en las atmósferas urbanas. Los primeros indicios del papel del carbono negro en un contexto más amplio y global surgieron de estudios sobre el fenómeno de la neblina ártica [20] . El carbono negro se identificó en los aerosoles de la neblina ártica [21] y en la nieve ártica [22] .

En general, las partículas de aerosol pueden afectar el balance de radiación, lo que produce un efecto de enfriamiento o calentamiento, y la magnitud y el signo del cambio de temperatura dependen en gran medida de las propiedades ópticas del aerosol, las concentraciones de aerosol y el albedo de la superficie subyacente. Un aerosol puramente dispersante reflejará hacia el espacio la energía que normalmente sería absorbida por el sistema tierra-atmósfera, lo que produce un efecto de enfriamiento. Si se añade un componente absorbente al aerosol, puede producirse un calentamiento del sistema tierra-atmósfera si la reflectividad de la superficie subyacente es suficientemente alta.

Los primeros estudios sobre los efectos de los aerosoles en la transferencia radiativa atmosférica a escala global supusieron que los aerosoles eran predominantemente dispersantes y que solo tenían un pequeño componente absorbente, ya que esto parece ser una buena representación de los aerosoles naturales. Sin embargo, como se ha comentado anteriormente, los aerosoles urbanos tienen un gran componente de carbono negro y, si estas partículas pueden transportarse a escala global, cabría esperar un efecto de calentamiento sobre superficies con un albedo superficial elevado, como la nieve o el hielo. Además, si estas partículas se depositan en la nieve, se produciría un efecto de calentamiento adicional debido a las reducciones del albedo superficial.

Medición y modelado de la distribución espacial

Los niveles de carbono negro se determinan con mayor frecuencia en función de la modificación de las propiedades ópticas de un filtro de fibra por las partículas depositadas. Se mide la transmitancia del filtro, la reflectancia del filtro o una combinación de transmitancia y reflectancia. Los etalómetros son dispositivos de uso frecuente que detectan ópticamente la absorción cambiante de la luz transmitida a través de un filtro. El programa de Verificación de Tecnología Ambiental de la USEPA evaluó tanto el etalómetro [23] como el analizador termoóptico de Sunset Laboratory [24] . Un fotómetro de absorción multiángulo tiene en cuenta tanto la luz transmitida como la reflejada. Los métodos alternativos se basan en mediciones basadas en satélites de la profundidad óptica para áreas grandes o, más recientemente, en el análisis de ruido espectral para concentraciones muy locales [25] .

A finales de los años 1970 y principios de los años 1980 se observaron concentraciones sorprendentemente altas de carbono negro a nivel del suelo en todo el Ártico occidental. [21] Los estudios de modelado indicaron que podrían provocar un calentamiento sobre el hielo polar. Una de las principales incertidumbres en el modelado de los efectos de la neblina ártica sobre el balance de radiación solar fue el conocimiento limitado de las distribuciones verticales de carbono negro.

Durante 1983 y 1984, como parte del programa NOAA AGASP, se obtuvieron las primeras mediciones de dichas distribuciones en la atmósfera del Ártico con un etalómetro que tenía la capacidad de medir el carbono negro en tiempo real. [26] Estas mediciones mostraron concentraciones sustanciales de carbono negro en toda la troposfera del Ártico occidental, incluido el Polo Norte. Los perfiles verticales mostraron una estructura fuertemente estratificada o una distribución casi uniforme hasta ocho kilómetros con concentraciones dentro de las capas tan grandes como las que se encuentran a nivel del suelo en áreas urbanas típicas de latitudes medias en los Estados Unidos. [27] Las profundidades ópticas de absorción asociadas con estos perfiles verticales fueron grandes, como lo demuestra un perfil vertical sobre el Ártico noruego donde se calcularon profundidades ópticas de absorción de 0,023 a 0,052 respectivamente para mezclas externas e internas de carbono negro con los otros componentes del aerosol. [27]

Las profundidades ópticas de estas magnitudes conducen a un cambio sustancial en el balance de radiación solar sobre la superficie de nieve altamente reflectante del Ártico durante el período de marzo-abril de estas mediciones, que modelaron el aerosol del Ártico para una profundidad óptica de absorción de 0,021 (que está cerca del promedio de las mezclas internas y externas para los vuelos de AGASP), en condiciones sin nubes. [28] [29] Estos efectos de calentamiento se consideraron en ese momento como una de las principales causas potenciales de las tendencias de calentamiento del Ártico, como se describe en los Archivos del Departamento de Energía, Logros básicos de las ciencias de la energía. [30]

Presencia en suelos

Por lo general, el carbono negro representa entre el 1 y el 6%, y hasta el 60% del carbono orgánico total almacenado en los suelos es aportado por el carbono negro. [31] Especialmente para los suelos tropicales, el carbono negro sirve como reservorio de nutrientes. Los experimentos mostraron que los suelos sin grandes cantidades de carbono negro son significativamente menos fértiles que los suelos que contienen carbono negro. Un ejemplo de esta mayor fertilidad del suelo son los suelos de Terra preta de la Amazonia central, presumiblemente creados por el hombre por poblaciones nativas precolombinas. Los suelos de Terra preta tienen, en promedio, un contenido de materia orgánica del suelo (MOS) tres veces mayor, niveles más altos de nutrientes y una mejor capacidad de retención de nutrientes que los suelos infértiles circundantes. [32] En este contexto, la práctica agrícola de tala y quema utilizada en las regiones tropicales no solo mejora la productividad al liberar nutrientes de la vegetación quemada, sino también al agregar carbono negro al suelo. No obstante, para una gestión sostenible, una práctica de tala y quema sería mejor para prevenir altas emisiones de CO2 y carbono negro volátil. Además, los efectos positivos de este tipo de agricultura se contrarrestan si se utiliza en grandes parcelas para que la vegetación no impida la erosión del suelo.

Presencia en aguas

El carbono negro soluble y coloidal retenido en el paisaje a causa de los incendios forestales puede llegar hasta las aguas subterráneas. A escala mundial, el flujo de carbono negro hacia los cuerpos de agua dulce y salada se aproxima a la tasa de producción de carbono negro de los incendios forestales. [33]

Fuentes de emisión

Por región

Antorcha de gas ineficiente que genera carbono negro en un sitio de Indonesia

Los países desarrollados fueron alguna vez la principal fuente de emisiones de carbono negro, pero esto comenzó a cambiar en la década de 1950 con la adopción de tecnologías de control de la contaminación en esos países. [5] Mientras que Estados Unidos emite alrededor del 21% del CO2 del mundo , emite el 6,1% del hollín del mundo. [34] La Unión Europea y los Estados Unidos podrían reducir aún más sus emisiones de carbono negro acelerando la implementación de las regulaciones de carbono negro que actualmente entran en vigencia en 2015 o 2020 [35] y apoyando la adopción de las regulaciones pendientes de la Organización Marítima Internacional (OMI). [36] Las regulaciones existentes también podrían ampliarse para aumentar el uso de tecnologías de diésel y carbón limpios y para desarrollar tecnologías de segunda generación.

En la actualidad, la mayoría de las emisiones de carbono negro provienen de países en desarrollo [37] y se espera que esta tendencia aumente. [38] Las mayores fuentes de carbono negro son Asia, América Latina y África. [39] China e India juntas representan entre el 25% y el 35% de las emisiones mundiales de carbono negro. [5] Las emisiones de carbono negro de China se duplicaron entre 2000 y 2006. [5] Las tecnologías existentes y bien probadas que utilizan los países desarrollados, como el diésel limpio y el carbón limpio, podrían transferirse a los países en desarrollo para reducir sus emisiones. [40]

Las emisiones de carbono negro son más altas en las principales regiones de origen y sus alrededores, lo que genera puntos calientes regionales de calentamiento solar atmosférico debido al carbono negro. [5] Las áreas calientes incluyen: [5]

Aproximadamente tres mil millones de personas viven en estos puntos críticos. [5]

Por fuente

Carbono negro en una olla de cocina. Resultado de la cocción con biocombustible.

Aproximadamente el 20% del carbono negro se emite por la quema de biocombustibles, el 40% por combustibles fósiles y el 40% por la quema de biomasa a cielo abierto. [5] Estimaciones similares de las fuentes de emisiones de carbono negro son las siguientes: [41]

Las fuentes de carbono negro varían según la región. Por ejemplo, la mayoría de las emisiones de hollín en el sur de Asia se deben a la cocción con biomasa [43] , mientras que en el este de Asia, la combustión de carbón para usos residenciales e industriales desempeña un papel más importante. En Europa occidental, el tráfico parece ser la fuente más importante, ya que las altas concentraciones coinciden con la proximidad a las carreteras principales o la participación en el tráfico (motorizado). [44]

El hollín de los combustibles fósiles y de la biomasa contiene cantidades significativamente mayores de carbono negro que los aerosoles y las partículas que enfrían el clima, lo que hace que la reducción de estas fuentes sea una estrategia de mitigación particularmente poderosa. Por ejemplo, las emisiones de los motores diésel y los buques marinos contienen niveles más altos de carbono negro en comparación con otras fuentes. [45] Por lo tanto, la regulación de las emisiones de carbono negro de los motores diésel y los buques marinos presenta una oportunidad significativa para reducir el impacto del carbono negro en el calentamiento global. [46]

La quema de biomasa emite mayores cantidades de aerosoles y partículas que enfrían el clima que el carbono negro, lo que produce un enfriamiento a corto plazo. [47] Sin embargo, a largo plazo, la quema de biomasa puede causar un calentamiento neto cuando se consideran las emisiones de CO2 y la deforestación. [ 48] Por lo tanto, la reducción de las emisiones de biomasa reduciría el calentamiento global a largo plazo y proporcionaría beneficios colaterales de reducción de la contaminación del aire, las emisiones de CO2 y la deforestación. Se ha estimado que al cambiar de la agricultura de tala y quema a la de tala y quema , que convierte la biomasa en cenizas mediante incendios abiertos que liberan carbono negro [49] y GEI, [50] se podría reducir anualmente el 12% de las emisiones de carbono antropogénicas causadas por el cambio de uso de la tierra, [50] lo que equivale aproximadamente a 0,66 Gt de CO2 -eq . por año, o el 2% de todas las emisiones anuales globales de CO2 -eq . [51]

En un estudio de investigación publicado en junio de 2022, [52] el científico atmosférico Christopher Maloney y sus colegas observaron que los lanzamientos de cohetes liberan partículas diminutas llamadas aerosoles en la estratosfera y aumentan la pérdida de la capa de ozono. [53] Utilizaron un modelo climático para determinar el impacto del carbono negro que sale de la boquilla del motor del cohete. Utilizando varios escenarios de un número creciente de lanzamientos de cohetes, descubrieron que cada año, los lanzamientos de cohetes podrían expulsar de 1 a 10 gigagramos de carbono negro en el extremo inferior a 30 a 100 gigagramos en el extremo en las próximas décadas. [53] En otro estudio publicado en junio de 2022, los investigadores utilizaron un modelo 3D para estudiar el impacto de los lanzamientos de cohetes y el reingreso. Determinaron que las partículas de carbono negro emitidas por los cohetes dan como resultado un efecto de calentamiento mejorado de casi 500 veces más que otras fuentes. [54]

Impactos

El carbono negro es una forma de material particulado ultrafino que, cuando se libera en el aire, causa mortalidad y discapacidad prematuras en las personas. Además, el carbono negro atmosférico modifica el equilibrio de energía radiativa del sistema climático de tal manera que eleva las temperaturas del aire y de la superficie, lo que provoca diversos efectos ambientales perjudiciales para los seres humanos, la agricultura y los ecosistemas vegetales y animales.

Impactos en la salud pública

Las partículas en suspensión son los contaminantes atmosféricos más nocivos para la salud pública en Europa. Las partículas de carbono negro contienen carcinógenos muy finos y, por lo tanto, son especialmente nocivas. [55]

Se estima que se podrían evitar entre 640.000 y 4.900.000 muertes humanas prematuras cada año mediante el uso de las medidas de mitigación disponibles para reducir el carbono negro en la atmósfera. [56]

Los seres humanos están expuestos al carbono negro por inhalación de aire en las inmediaciones de fuentes locales. Las fuentes interiores importantes incluyen velas y la quema de biomasa, mientras que el tráfico y, ocasionalmente, los incendios forestales son las principales fuentes exteriores de exposición al carbono negro. Las concentraciones de carbono negro disminuyen drásticamente al aumentar la distancia de las fuentes (tráfico), lo que lo convierte en un componente atípico de las partículas en suspensión . Esto dificulta la estimación de la exposición de las poblaciones. En el caso de las partículas en suspensión, los estudios epidemiológicos se han basado tradicionalmente en mediciones de un único sitio fijo o en concentraciones residenciales inferidas. [57] Estudios recientes han demostrado que se inhala tanto carbono negro en el tráfico y en otros lugares como en el domicilio particular. [58] [59] A pesar de que una gran parte de la exposición se produce en forma de picos cortos de altas concentraciones, no está claro cómo definir los picos y determinar su frecuencia e impacto en la salud. [60] Se encuentran altas concentraciones máximas durante la conducción de automóviles. Se han asociado altas concentraciones de carbono negro en el interior del vehículo con la conducción en horas punta, en autopistas y en tráfico denso. [61]

Incluso concentraciones relativamente bajas de exposición al carbono negro tienen un efecto directo en la función pulmonar de los adultos y un efecto inflamatorio en el sistema respiratorio de los niños. [62] [63] [64] Un estudio reciente no encontró ningún efecto del carbono negro en la presión arterial cuando se combina con la actividad física . [65] Los beneficios para la salud pública de la reducción de la cantidad de hollín y otras partículas en suspensión se han reconocido durante años. Sin embargo, persisten altas concentraciones en las zonas industrializadas de Asia y en las zonas urbanas de Occidente, como Chicago . [66] La OMS estima que la contaminación del aire causa casi dos millones de muertes prematuras al año. [67] Al reducir el carbono negro, un componente principal de las partículas en suspensión finas, los riesgos para la salud derivados de la contaminación del aire disminuirán. De hecho, las preocupaciones por la salud pública han dado lugar a muchos esfuerzos para reducir dichas emisiones, por ejemplo, de los vehículos diésel y las cocinas.

Impactos climáticos

Efecto directo Las partículas de carbono negro absorben directamente la luz solar y reducen el albedo planetario cuando están suspendidas en la atmósfera.

Efecto semidirecto El carbono negro absorbe la radiación solar entrante, altera la estructura de la temperatura de la atmósfera e influye en la cobertura de nubes. Puede aumentar o disminuir la cobertura de nubes en diferentes condiciones. [68]

Efecto del albedo de la nieve/hielo Cuando se depositan sobre superficies con un albedo elevado, como el hielo y la nieve, las partículas de carbono negro reducen el albedo superficial total disponible para reflejar la energía solar de vuelta al espacio. Una pequeña reducción inicial del albedo de la nieve puede tener un gran efecto forzado debido a una retroalimentación positiva: la reducción del albedo de la nieve aumentaría la temperatura de la superficie. El aumento de la temperatura de la superficie reduciría la capa de nieve y reduciría aún más el albedo de la superficie. [69]

Efecto indirecto El carbono negro también puede causar indirectamente cambios en la absorción o reflexión de la radiación solar a través de cambios en las propiedades y el comportamiento de las nubes. Una investigación programada para publicarse en 2013 muestra que el carbono negro desempeña un papel en el cambio climático que sólo es superado por el dióxido de carbono. Los efectos son complejos y resultan de una variedad de factores, pero debido a la corta vida del carbono negro en la atmósfera, aproximadamente una semana en comparación con el dióxido de carbono que dura siglos, el control del carbono negro ofrece posibles oportunidades para frenar, o incluso revertir, el calentamiento climático. [69] [70] [71]

Forzamiento radiativo

Las estimaciones del forzamiento radiativo directo promedio global del carbono negro varían desde la estimación del IPCC de + 0,34 vatios por metro cuadrado (W/m 2 ) ± 0,25, [72] hasta una estimación más reciente de V. Ramanathan y G. Carmichael de 0,9 W/m 2 . [5]

El IPCC también estimó el efecto del albedo de la nieve del carbono negro promedio a nivel mundial en +0,1 ± 0,1 W/m 2 .

Según la estimación del IPCC, sería razonable concluir que los efectos directos e indirectos combinados del albedo de la nieve para el carbono negro lo ubican como el tercer mayor contribuyente al forzamiento radiativo positivo promedio global desde el período preindustrial. En comparación, la estimación más reciente del forzamiento radiativo directo de Ramanathan y Carmichael [5] llevaría a concluir que el carbono negro ha contribuido al segundo mayor forzamiento radiativo promedio global después del dióxido de carbono (CO 2 ), y que el forzamiento radiativo del carbono negro es "hasta el 55% del forzamiento del CO 2 y es mayor que el forzamiento debido a los otros gases de efecto invernadero (GEI) como el CH 4 , los CFC, el N 2 O o el ozono troposférico".

Tabla 1: Estimaciones del forzamiento radiativo del carbono negro, por efecto

Tabla 2: Estimación de las fuerzas climáticas (W/ m2 )

Efectos sobre el hielo del Ártico y los glaciares del Himalaya

Según el IPCC , "la presencia de carbono negro sobre superficies altamente reflectantes, como la nieve y el hielo, o las nubes, puede causar un forzamiento radiativo positivo significativo". [87] [83] El IPCC también señala que las emisiones de la quema de biomasa , que normalmente tienen un forzamiento negativo, [47] tienen un forzamiento positivo sobre los campos de nieve en zonas como el Himalaya. [88] Un estudio de 2013 cuantificó que las quemas de gas contribuyeron con más del 40% del carbono negro depositado en el Ártico. [89] [90]

Según Charles Zender, el carbono negro contribuye significativamente al derretimiento del hielo del Ártico, y reducir dichas emisiones puede ser "la forma más eficiente de mitigar el calentamiento del Ártico que conocemos". [91] El "forzamiento climático debido al cambio del albedo de la nieve/hielo es del orden de 1,0 W/m 2 en las zonas terrestres de latitudes medias y altas en el hemisferio norte y sobre el océano Ártico". [83] El "efecto del hollín en el albedo de la nieve puede ser responsable de una cuarta parte del calentamiento global observado". [83] "La deposición de hollín aumenta el derretimiento de la superficie en las masas de hielo, y el agua de deshielo estimula múltiples procesos de retroalimentación radiativa y dinámica que aceleran la desintegración del hielo", según los científicos de la NASA James Hansen y Larissa Nazarenko. [83] Como resultado de este proceso de retroalimentación, "el carbono negro en la nieve calienta el planeta aproximadamente tres veces más que un forzamiento equivalente de CO 2 ". [92] Cuando las concentraciones de carbono negro en el Ártico aumentan durante el invierno y la primavera debido a la neblina ártica , las temperaturas de la superficie aumentan en 0,5 °C. [93] [94] Las emisiones de carbono negro también contribuyen significativamente al derretimiento del hielo del Ártico, lo cual es crítico porque "nada en el clima se describe más acertadamente como un 'punto de inflexión' que el límite de 0 °C que separa el agua congelada del agua líquida: la nieve y el hielo brillantes y reflectantes del océano oscuro que absorbe el calor". [95]

Las emisiones de carbono negro provenientes del norte de Eurasia, América del Norte y Asia tienen el mayor impacto absoluto en el calentamiento del Ártico. [93] Sin embargo, las emisiones de carbono negro que realmente se producen dentro del Ártico tienen un impacto desproporcionadamente mayor por partícula en el calentamiento del Ártico que las emisiones que se originan en otros lugares. [93] A medida que el hielo del Ártico se derrite y la actividad naviera aumenta, se espera que las emisiones originadas en el Ártico aumenten. [96]

En algunas regiones, como el Himalaya, el impacto del carbono negro en la capa de nieve y los glaciares que se derriten puede ser igual al del CO 2 . [5] El aire más cálido resultante de la presencia de carbono negro en el sur y este de Asia sobre el Himalaya contribuye a un calentamiento de aproximadamente 0,6 °C. [5] Un "análisis de las tendencias de temperatura en el lado tibetano del Himalaya revela un calentamiento superior a 1 °C". [5] Un muestreo de aerosol de verano en una silla de glaciar del Monte Everest (Qomolangma) en 2003 mostró que el sulfato inducido industrialmente desde el sur de Asia puede cruzar sobre el Himalaya altamente elevado. [97] Esto indicó que el BC en el sur de Asia también podría tener el mismo modo de transporte. Y ese tipo de señal podría haber sido detectada en un sitio de monitoreo de carbono negro en el interior del Tíbet. [98] El muestreo y la medición de la nieve sugirieron que el carbono negro depositado en algunos glaciares del Himalaya puede reducir el albedo de la superficie en 0,01-0,02. [99] El registro de carbono negro basado en un núcleo de hielo superficial perforado en el glaciar East Rongbuk mostró una tendencia dramáticamente creciente de las concentraciones de carbono negro en la estratigrafía del hielo desde la década de 1990, y el forzamiento radiativo promedio simulado causado por el carbono negro fue de casi 2 W/m2 en 2002. [100] Esta gran tendencia al calentamiento es el factor causal propuesto para el retroceso acelerado de los glaciares del Himalaya, [5] que amenaza los suministros de agua dulce y la seguridad alimentaria en China e India. [101] Una tendencia general de oscurecimiento en los glaciares del Himalaya medio revelada por los datos MODIS desde 2000 podría atribuirse parcialmente al carbono negro y a las impurezas que absorben la luz como el polvo en primavera, que luego se extendió a toda la investigación de los glaciares Hindu Kush-Kararoram-Himalaya y encontró una tendencia generalizada de oscurecimiento de -0,001 año −1 durante el período de 2000 a 2011. [102] [103] La disminución más rápida del albedo (más negativa que -0,0015 año −1 ) ocurrió en altitudes superiores a los 5500 m sobre el nivel del mar. [103]

Calentamiento global

En su informe de 2007, el IPCC estimó por primera vez el forzamiento radiativo directo del carbono negro proveniente de las emisiones de combustibles fósiles en + 0,2 W/m 2 , y el forzamiento radiativo del carbono negro a través de su efecto sobre el albedo superficial de la nieve y el hielo en un + 0,1 W/m 2 adicional . [104] Estudios más recientes y testimonios públicos de muchos de los mismos científicos citados en el informe del IPCC estiman que las emisiones de carbono negro son el segundo mayor contribuyente al calentamiento global después de las emisiones de dióxido de carbono, y que reducir estas emisiones puede ser la estrategia más rápida para frenar el cambio climático. [6] [7]

Desde 1950, muchos países han reducido significativamente las emisiones de carbono negro, especialmente las provenientes de fuentes de combustibles fósiles, principalmente para mejorar la salud pública mediante una mejor calidad del aire, y "existe tecnología para una reducción drástica del carbono negro relacionado con los combustibles fósiles" en todo el mundo. [105]

Teniendo en cuenta la vida relativamente corta del carbono negro, la reducción de las emisiones de carbono negro reduciría el calentamiento en cuestión de semanas. Dado que el carbono negro permanece en la atmósfera sólo unas pocas semanas, la reducción de las emisiones de carbono negro puede ser el medio más rápido de frenar el cambio climático en el corto plazo. [6] Es muy probable que el control del carbono negro, en particular el de las fuentes de combustibles fósiles y biocombustibles, sea el método más rápido de frenar el calentamiento global en el futuro inmediato, [3] y una reducción importante de las emisiones de carbono negro podría frenar los efectos del cambio climático durante una década o dos. [106] La reducción de las emisiones de carbono negro podría ayudar a evitar que el sistema climático pase los puntos de inflexión de cambios climáticos abruptos , incluido el aumento significativo del nivel del mar debido al derretimiento de las capas de hielo de Groenlandia y/o la Antártida. [107]

"Las emisiones de carbono negro son la segunda contribución más importante al calentamiento global actual, después de las emisiones de dióxido de carbono". [5] Cálculo del forzamiento climático combinado del carbono negro en 1,0–1,2 W/m 2 , que "es hasta el 55% del forzamiento del CO 2 y es mayor que el forzamiento debido a los otros [GEI] como el CH 4 , los CFC, el N 2 O o el ozono troposférico". [5] Otros científicos estiman la magnitud total del forzamiento del carbono negro entre + 0,2 y 1,1 W/m 2 con rangos variables debido a las incertidumbres. (Véase la Tabla 1.) Esto se compara con las estimaciones de forzamiento climático del IPCC de 1,66 W/m 2 para el CO 2 y 0,48 W/m 2 para el CH 4 . (Véase el cuadro 2.) [108] Además, el forzamiento del carbono negro es dos o tres veces más eficaz para aumentar las temperaturas en el hemisferio norte y el Ártico que los valores de forzamiento equivalentes de CO 2 . [83] [109]

Jacobson calcula que la reducción de las partículas de hollín de los combustibles fósiles y los biocombustibles eliminaría aproximadamente el 40% del calentamiento global neto observado. [110] (Véase la Figura 1.) Además del carbono negro, el hollín de los combustibles fósiles y los biocombustibles contienen aerosoles y partículas que enfrían el planeta al reflejar la radiación solar lejos de la Tierra. [111] Cuando se tienen en cuenta los aerosoles y las partículas, el hollín de los combustibles fósiles y los biocombustibles aumenta las temperaturas en unos 0,35 °C. [112]

Se estima que el carbono negro por sí solo tiene un potencial de calentamiento global (PCG) de 4.470 a 20 años y un PCG de 1.055 a 2.240 a 100 años. [113] [114] [81] [115] [116] El hollín de combustibles fósiles, como resultado de la mezcla con aerosoles y partículas refrigerantes, tiene un PCG menor a 20 años de 2.530 y un PCG de 840 a 1.280 a 100 años. [117]

La Evaluación Integrada del Carbono Negro y el Ozono Troposférico publicada en 2011 por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y la Organización Meteorológica Mundial calcula que la reducción del carbono negro, junto con el ozono troposférico y su precursor, el metano, puede reducir la tasa de calentamiento global a la mitad y la tasa de calentamiento en el Ártico en dos tercios, en combinación con reducciones de CO2 . Al reducir el "calentamiento máximo", dichas reducciones pueden mantener el aumento actual de la temperatura global por debajo de 1,5 ˚C durante 30 años y por debajo de 2 ˚C durante 60 años, en combinación con reducciones de CO2 . (FN: UNEP-WMO 2011.) Véase la Tabla 1, en la página 9 del informe UNEP-WMO Archivado el 5 de noviembre de 2011 en Wayback Machine . [118]

La reducción del CO2, así como de los SLCF, podría mantener el aumento de la temperatura global por debajo de 1,5 ˚C hasta 2030, y por debajo de 2 ˚C hasta 2070, suponiendo que también se reduzca el CO2. [ 118] Véase el gráfico en la página 12 del informe del PNUMA-OMM Archivado el 5 de noviembre de 2011 en Wayback Machine . [118]

Tecnologías de control

Ramanathan señala que “las naciones desarrolladas han reducido sus emisiones de carbono negro provenientes de fuentes de combustibles fósiles en un factor de 5 o más desde 1950. Por lo tanto, existe la tecnología para una reducción drástica del carbono negro relacionado con los combustibles fósiles”. [119]

Jacobson cree que "si se dan las condiciones y los incentivos adecuados, las tecnologías que contaminan [el hollín] pueden eliminarse rápidamente. En algunas aplicaciones a pequeña escala (como la cocina doméstica en los países en desarrollo), la salud y la comodidad impulsarán esa transición cuando existan alternativas asequibles y fiables. En el caso de otras fuentes, como los vehículos o las calderas de carbón, puede que se requieran enfoques regulatorios para impulsar la transición a la tecnología existente o el desarrollo de una nueva tecnología". [3]

Hansen afirma que "hay una tecnología a nuestro alcance que podría reducir en gran medida el hollín, restaurando el albedo de la nieve a valores casi prístinos, al tiempo que ofrece otros muchos beneficios para el clima, la salud humana, la productividad agrícola y la estética medioambiental. Las emisiones de hollín procedentes del carbón ya están disminuyendo en muchas regiones con la transición de los pequeños usuarios a las centrales eléctricas con depuradores". [83]

Jacobson propone convertir "los vehículos [estadounidenses] de combustibles fósiles a vehículos eléctricos, híbridos enchufables o de pila de combustible de hidrógeno, donde la electricidad o el hidrógeno se produzcan mediante una fuente de energía renovable, como la eólica, solar, geotérmica, hidroeléctrica, undimotriz o maremotriz. Tal conversión eliminaría 160 Gg/año (24%) del hollín de combustibles fósiles de los EE. UU. (o el 1,5% del mundo) y alrededor del 26% del dióxido de carbono de los EE. UU. (o el 5,5% del mundo)". [120] Según las estimaciones de Jacobson, esta propuesta reduciría las emisiones de hollín y CO 2 en 1,63 GtCO 2 –eq. por año. [121] Sin embargo, señala que "la eliminación de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno también eliminaría algunas partículas refrigerantes, reduciendo el beneficio neto a la mitad, como máximo, pero mejorando la salud humana", una reducción sustancial para una política en un país. [122]

En particular, para los vehículos diésel existen varias tecnologías eficaces. [123] Los filtros de partículas diésel (DPF) más nuevos y eficientes , o trampas, pueden eliminar más del 90% de las emisiones de carbono negro, [124] pero estos dispositivos requieren combustible diésel con contenido ultrabajo de azufre (ULSD). Para garantizar el cumplimiento de las nuevas normas sobre partículas para los nuevos vehículos de carretera y fuera de carretera en los EE. UU., la EPA primero exigió un cambio a nivel nacional al ULSD, lo que permitió que se utilizaran DPF en vehículos diésel para cumplir con las normas. Debido a las recientes regulaciones de la EPA, se espera que las emisiones de carbono negro de los vehículos diésel disminuyan aproximadamente un 70 por ciento entre 2001 y 2020. [125] En general, "se proyecta que las emisiones de BC en los Estados Unidos disminuyan un 42 por ciento entre 2001 y 2020. [126] Para cuando la flota completa esté sujeta a estas normas, la EPA estima que se reducirán más de 239.000 toneladas de material particulado anualmente. [127] Fuera de los EE. UU., los catalizadores de oxidación diésel suelen estar disponibles y los DPF estarán disponibles a medida que el ULSD se comercialice más ampliamente.

Otra tecnología para reducir las emisiones de carbono negro de los motores diésel es cambiar los combustibles a gas natural comprimido. En Nueva Delhi , India, la Corte Suprema ordenó el cambio a gas natural comprimido para todos los vehículos de transporte público, incluidos autobuses, taxis y rickshaws, lo que resultó en un beneficio climático, "en gran medida debido a la reducción drástica de las emisiones de carbono negro de los motores diésel de los autobuses". [128] [129] En general, el cambio de combustible para los vehículos redujo las emisiones de carbono negro lo suficiente como para producir una reducción neta del 10 por ciento en CO2 -eq ., y tal vez hasta un 30 por ciento. [128] Las principales ganancias provinieron de los motores diésel de los autobuses cuyas emisiones de CO2 -eq . se redujeron en un 20 por ciento. [130] Según un estudio que examina estas reducciones de emisiones, "existe un potencial significativo de reducción de emisiones a través del [CMNUCC] Desarrollo Limpio para tales proyectos de cambio de combustible". [128]

También se están desarrollando tecnologías para reducir parte de las 133.000 toneladas métricas de material particulado que emiten cada año los barcos. [46] Los buques oceánicos utilizan motores diésel y ahora se están probando en ellos filtros de partículas similares a los que se utilizan en los vehículos terrestres. Al igual que con los filtros de partículas actuales, estos también requerirían que los barcos utilicen ULSD, pero si se logran reducciones de emisiones comparables, se podrían eliminar hasta 120.000 toneladas métricas de emisiones de partículas cada año del transporte marítimo internacional. Es decir, si se pudiera demostrar que los filtros de partículas reducen las emisiones de carbono negro en un 90 por ciento de los barcos como lo hacen en los vehículos terrestres, se evitarían 120.000 toneladas métricas de las 133.000 toneladas métricas de emisiones actuales. [131] Otros esfuerzos pueden reducir la cantidad de emisiones de carbono negro de los barcos simplemente disminuyendo la cantidad de combustible que utilizan los barcos. Al viajar a velocidades más lentas o al utilizar electricidad de costa cuando están en el puerto en lugar de hacer funcionar los motores diésel del barco para obtener energía eléctrica, los barcos pueden ahorrar combustible y reducir las emisiones.

Reynolds y Kandlikar estiman que el cambio al gas natural comprimido para el transporte público en Nueva Delhi ordenado por la Corte Suprema redujo las emisiones climáticas entre un 10 y un 30%. [128] [129]

Ramanathan estima que "la provisión de cocinas alternativas energéticamente eficientes y libres de humo y la introducción de tecnología de transferencia para reducir las emisiones de hollín provenientes de la combustión de carbón en pequeñas industrias podría tener importantes impactos en el forzamiento radiativo debido al hollín". [5] En concreto, el impacto de reemplazar la cocina con biocombustibles por cocinas libres de carbono negro (solar, bio y gas natural) en el sur y este de Asia es dramático: en el sur de Asia, una reducción del 70 al 80% en la calefacción con carbono negro; y en el este de Asia, una reducción del 20 al 40%". [5]

Biodegradación

Las estructuras de anillos aromáticos condensados ​​indican la degradación del carbono negro en el suelo. Se están investigando los hongos saprofitos por su posible papel en la degradación del carbono negro. [132]

Opciones de política

Muchos países cuentan con leyes nacionales vigentes para regular las emisiones de carbono negro, incluidas leyes que abordan las emisiones de partículas. Algunos ejemplos incluyen:

En 2008, la Red Internacional para el Cumplimiento y la Aplicación de las Normas Ambientales emitió una Alerta de Cumplimiento Climático sobre el Carbono Negro, en la que se citaba la reducción del negro de carbono [ aclaración necesaria ] como una forma rentable de reducir una de las principales causas del calentamiento global. [134]

Véase también

Referencias

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  106. ^ Testimonio de Ramanathan, supra nota 8, pág. 3 ("Por lo tanto, una reducción drástica del BC tiene el potencial de compensar el calentamiento inducido por el CO 2 durante una década o dos").
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  110. ^ El calentamiento global bruto debería dar como resultado un aumento de temperatura de aproximadamente 2 °C (4 °F). Sin embargo, el calentamiento global observado es de sólo 0,8 °C aproximadamente, porque las partículas de enfriamiento compensan gran parte del calentamiento. La reducción del hollín de los combustibles fósiles y los biocombustibles reduciría aproximadamente el 40% del calentamiento observado y aproximadamente el 16% del calentamiento bruto. Testimonio de Jacobson, supra nota 13, pág. 3. ("La figura también muestra que el hollín de los combustibles fósiles más el de los biocombustibles puede contribuir a aproximadamente el 16% del calentamiento global bruto (calentamiento debido a todos los gases de efecto invernadero más el hollín más el efecto de isla de calor), pero su control en forma aislada podría reducir el 40% del calentamiento global neto").
  111. ^ Testimonio de Jacobson, id., pág. 4.
  112. ^ Testimonio de Jacobson, id.
  113. ^ Testimonio de Jacobson, id. Como aerosol, no existe una fórmula estandarizada para desarrollar potenciales de calentamiento global (GWP) para el carbono negro. Sin embargo, los intentos de derivar GWP100 varían entre 190 y 2240 en relación con el CO 2 .
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  116. ^ Testimonio de Jacobson, supra nota 9, pág. 4 (GWP BC – 2240).
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  119. ^ Testimonio de Ramanathan, supra nota 4, pág. 4.
  120. ^ Testimonio de Jacobson, supra nota 9, pág. 9.
  121. ^ Jacobson ofrece una estimación de las emisiones totales de CO2 de Estados Unidos en 2005 de 6270 toneladas métricas, de las cuales el 26% son 1630. Id.
  122. ^ Testimonio de Jacobson, supra nota 9, pág. 9.
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  124. ^ Id. , ("Los DPF pueden lograr una reducción de hasta el 90 por ciento de las partículas en suspensión (PM), y en algunos casos incluso más. Los filtros de alta eficiencia son extremadamente eficaces para controlar la fracción de carbono de las partículas, la porción de las partículas que algunos expertos en salud creen que puede ser el componente de PM de mayor preocupación").
  125. ^ Id. , en la página 5, ("Las emisiones de carbono negro de fuentes móviles se estiman en 234 Gg en 2001, lo que representa el 54 por ciento de las emisiones de carbono negro a nivel nacional de 436 Gg. Según el Escenario F, se proyecta que las emisiones de fuentes móviles disminuyan a 71 Gg, una reducción de 163 Gg".
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  130. ^ Id. , en la Sección 3.1 ("En total, hay una reducción de alrededor del 10% de las emisiones netas de CO 2 (e), y si se consideran los autobuses por separado, las emisiones netas de CO 2 (e) se reducen en alrededor del 20%").
  131. ^ Es decir, si se pudiera demostrar que los filtros de partículas reducen las emisiones de carbono negro de los barcos en un 90 por ciento como lo hacen con los vehículos terrestres, se evitarían 120.000 toneladas métricas de las 133.000 toneladas métricas de emisiones actuales.
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Lectura adicional

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