Los núcleos de condensación de nubes ( CCN ), también conocidos como semillas de nubes , son partículas pequeñas , normalmente de 0,2 μm , o una centésima parte del tamaño de una gota de nube . [1] Los CCN son un subconjunto único de aerosoles en la atmósfera en los que se condensa el vapor de agua . Esto puede afectar las propiedades radiativas de las nubes y la atmósfera en general. [2] El vapor de agua requiere una superficie no gaseosa para hacer la transición a líquido ; este proceso se llama condensación .
En la atmósfera de la Tierra , esta superficie se presenta como pequeñas partículas sólidas o líquidas llamadas CCN. Cuando no hay CCN presentes, el vapor de agua puede sobreenfriarse a aproximadamente -13 °C (9 °F) durante 5 a 6 horas antes de que se formen gotitas espontáneamente. Esta es la base de la cámara de niebla para detectar partículas subatómicas. [3]
El concepto de CCN se utiliza en la siembra de nubes , que intenta fomentar la lluvia sembrando el aire con núcleos de condensación. Además, se ha sugerido que la creación de dichos núcleos podría utilizarse para el aclaramiento de las nubes marinas , una técnica de ingeniería climática . [4] Algunos fenómenos ambientales naturales, como el propuesto en la hipótesis CLAW, también surgen de la interacción entre los CCN producidos naturalmente y la formación de nubes.
Una gota de lluvia típica tiene un diámetro de aproximadamente 2 mm, una gotita de nube típica tiene un diámetro del orden de 0,02 mm y un núcleo de condensación de nubes típico ( aerosol ) tiene un diámetro del orden de 0,0001 mm o 0,1 μm o mayor. [1] La cantidad de núcleos de condensación de nubes en el aire se puede medir en rangos de entre 100 y 1000 por cm 3 . [1] La masa total de CCN inyectados a la atmósfera se ha estimado en2 × 10 12 kg a lo largo de un año. [1]
Existen muchos tipos diferentes de partículas atmosféricas que pueden actuar como CCN. Las partículas pueden estar compuestas de polvo o arcilla , hollín o carbono negro de los incendios forestales o de pastizales, sal marina de la pulverización de las olas del océano, hollín de las chimeneas de las fábricas o de los motores de combustión interna, sulfato de la actividad volcánica , fitoplancton o la oxidación del dióxido de azufre y materia orgánica secundaria formada por la oxidación de compuestos orgánicos volátiles . [1] La capacidad de estos diferentes tipos de partículas para formar gotitas de nubes varía según su tamaño y también su composición exacta, ya que las propiedades higroscópicas de estos diferentes constituyentes son muy diferentes. El sulfato y la sal marina, por ejemplo, absorben fácilmente el agua, mientras que el hollín, el carbono orgánico y las partículas minerales no lo hacen. Esto se complica aún más por el hecho de que muchas de las especies químicas pueden estar mezcladas dentro de las partículas (en particular, el sulfato y el carbono orgánico). Además, aunque algunas partículas (como el hollín y los minerales) no forman muy buenos CCN, sí actúan como núcleos de hielo en las partes más frías de la atmósfera. [2]
La cantidad y el tipo de CCN pueden afectar la cantidad de precipitación, [5] la duración de vida y las propiedades radiativas de las nubes y sus tiempos de vida. En última instancia, esto tiene una influencia en el cambio climático . [4] La investigación de modelado dirigida por Marcia Baker reveló que las fuentes y los sumideros se equilibran mediante la coagulación y la coalescencia , lo que conduce a niveles estables de CCN en la atmósfera. [6] [7] También se especula que la variación solar puede afectar las propiedades de las nubes a través de los CCN y, por lo tanto, afectar el clima . [8]
Las mediciones en el aire de estos aerosoles mixtos individuales que pueden formar CCN en el sitio SGP se realizaron utilizando una aeronave de investigación. El estudio de CCN realizado por Kulkarni et al 2023 describe la complejidad de modelar las concentraciones de CCN.
La siembra de nubes es un proceso mediante el cual se añaden pequeñas partículas a la atmósfera para inducir la formación de nubes y la precipitación. Esto se ha hecho dispersando sales mediante métodos aéreos o terrestres. [9] Se han investigado otros métodos, como el uso de pulsos láser para excitar moléculas en la atmósfera, [10] y más recientemente, en 2021, la emisión de carga eléctrica mediante drones. [11] La eficacia de estos métodos no es consistente. Muchos estudios no notaron una diferencia estadísticamente significativa en la precipitación, mientras que otros sí. [ cita requerida ] La siembra de nubes también puede ocurrir a partir de procesos naturales como los incendios forestales, que liberan pequeñas partículas a la atmósfera que pueden actuar como núcleos. [12]
El aclaramiento de las nubes marinas es una técnica de ingeniería climática que implica la inyección de pequeñas partículas en las nubes para mejorar su reflectividad o albedo . [13] El motivo detrás de esta técnica es controlar la cantidad de luz solar que se permite que llegue a las superficies oceánicas con la esperanza de reducir las temperaturas de la superficie a través del forzamiento radiativo . [14] Muchos métodos implican la creación de pequeñas gotas de agua de mar para enviar partículas de sal marina a las nubes suprayacentes. [15] [16]
Pueden surgir complicaciones cuando el cloro y el bromo reactivos de la sal marina reaccionan con las moléculas existentes en la atmósfera. Se ha demostrado que reducen el ozono en la atmósfera; el mismo efecto reduce el hidróxido, lo que se correlaciona con el aumento de la longevidad del metano, un gas de efecto invernadero [17] .
Un artículo de 1987 en Nature encontró que el clima global puede ocurrir en un bucle de retroalimentación debido a la relación entre los CCN, los comportamientos de regulación de la temperatura de las nubes y el fitoplancton oceánico. [18] Desde entonces, este fenómeno se ha denominado la hipótesis CLAW, en honor a los autores del estudio original. Un CCN común sobre los océanos son los aerosoles de sulfato. Estos aerosoles se forman a partir del sulfuro de dimetilo (DMS) producido por las algas que se encuentran en el agua de mar. [18] Las grandes floraciones de algas , que se ha observado que han aumentado en áreas como el Mar de China Meridional, pueden contribuir con una cantidad sustancial de DMS a sus atmósferas circundantes, lo que lleva a una mayor formación de nubes. [19] [18] Como la actividad del fitoplancton depende de la temperatura, este bucle de retroalimentación negativa puede actuar como una forma de regulación climática. La venganza de Gaia , escrito por James Lovelock, autor del estudio de 1987, propone una relación alternativa entre las temperaturas oceánicas y el tamaño de la población de fitoplancton. Esta es la hipótesis anti-CLAW. En este escenario, la estratificación de los océanos hace que el agua fría rica en nutrientes quede atrapada bajo el agua más cálida, donde la luz solar para la fotosíntesis es más abundante. [20] Esto inhibe el crecimiento del fitoplancton, lo que resulta en la disminución de su población y de los CCN de sulfato que producen, con el aumento de la temperatura. Esta interacción reduce el albedo de las nubes al disminuir las formaciones de nubes inducidas por CCN y aumenta la radiación solar que llega a las superficies oceánicas, lo que resulta en un ciclo de retroalimentación positiva. [20]
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Los volcanes emiten una cantidad significativa de partículas microscópicas de gas y ceniza a la atmósfera cuando entran en erupción, que se convierten en aerosoles atmosféricos. [21] Al aumentar la cantidad de partículas de aerosol a través de procesos de conversión de gas a partícula, el contenido de estas erupciones puede afectar las concentraciones de núcleos de condensación de nubes potenciales (CCN) y partículas nucleantes de hielo (INP) , lo que a su vez afecta las propiedades de las nubes y conduce a cambios en el clima local o regional. [22]
De estos gases, el dióxido de azufre, el dióxido de carbono y el vapor de agua son los más comunes en las erupciones volcánicas. [23] Si bien el vapor de agua y el dióxido de carbono (CCN) son naturalmente abundantes en la atmósfera, el aumento de los CCN de dióxido de azufre puede afectar el clima al causar un enfriamiento global . [24] Los volcanes emiten anualmente casi 9,2 Tg de dióxido de azufre ( SO 2 ). [22] Este dióxido de azufre sufre una transformación en ácido sulfúrico , que se condensa rápidamente en la estratosfera para producir aerosoles finos de sulfato. [24] La atmósfera inferior de la Tierra, o troposfera, se enfría como resultado de la mayor capacidad de los aerosoles para reflejar la radiación solar de regreso al espacio.
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