Nubes oscuras en el horizonte: carbono negro en la atmósfera
Nuestra sociedad industrializada libera muchos y variados contaminantes al mundo. La combustión en particular produce una masa de aerosol que incluye carbón negro.
Imágenes de microscopio electrónico de transmisión de muestras de polvo de laboratorio. En el sentido de las agujas del reloj desde arriba a la izquierda, hollín de fullereno, agregado de carbón negro del escape del vehículo, hematita-TD y hematita-KJ.
Aunque esto solo representa un pequeño porcentaje de las partículas de aerosol, el carbono negro es especialmente problemático debido a su capacidad para absorber calor e impedir la capacidad de reflexión del calor de superficies como la nieve. Por lo tanto, es esencial saber cómo interactúa el carbono negro con la luz solar.
Los investigadores han cuantificado el índice de refracción del carbono negro en el grado más preciso hasta ahora que podría afectar los modelos climáticos.
Hay muchos factores que impulsan el cambio climático; algunos son muy familiares, como las emisiones de dióxido de carbono de la quema de combustibles fósiles, el dióxido de azufre de la fabricación de cemento o las emisiones de metano de la agricultura animal. Las partículas de aerosol de carbón negro, también de la combustión, están menos cubiertas en las noticias pero son particularmente importantes. Esencialmente hollín, el carbón negro es muy bueno para absorber el calor de la luz solar y almacenarlo, añadiéndose al calor atmosférico.
Al mismo tiempo, dado que los colores oscuros son menos efectivos para reflejar la luz y, por lo tanto, el calor, ya que el carbono negro cubre superficies más claras, incluida la nieve, reduce el potencial de esas superficies para reflejar el calor hacia el espacio.
“Comprender la interacción entre el carbono negro y la luz solar es de fundamental importancia en la investigación del clima”, dijo el profesor asistente Nobuhiro Moteki del Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra de la Universidad de Tokio.
“La propiedad más crítica del carbono negro en este sentido es su índice de refracción, básicamente cómo redirige y dispersa los rayos de luz entrantes. Sin embargo, las mediciones existentes del índice de refracción del carbón negro eran inexactas. Mi equipo y yo llevamos a cabo experimentos detallados para mejorar esto. Con nuestras mediciones mejoradas, ahora estimamos que los modelos climáticos actuales pueden estar subestimando la absorción de la radiación solar debido al carbono negro en un 16% significativo”.
Las mediciones anteriores de las propiedades ópticas del carbono negro a menudo se confundían por factores como la falta de muestras puras o las dificultades para medir las interacciones de la luz con partículas de diferentes formas complejas. Moteki y su equipo mejoraron esta situación capturando las partículas de carbono negro en el agua y luego aislándolas con sulfatos u otros productos químicos solubles en agua. Al aislar las partículas, el equipo pudo iluminarlas mejor y analizar la forma en que se dispersan, lo que proporcionó a los investigadores los datos para calcular el valor del índice de refracción.
“Medimos la amplitud, o fuerza, y fase, o paso, de la luz dispersada de muestras de carbón negro aisladas en agua”, dijo Moteki. “Esto nos permitió calcular lo que se conoce como el índice de refracción complejo del carbono negro. Complejo porque en lugar de ser un solo número, es un valor que contiene dos partes, una de las cuales es ‘imaginaria’ (relacionada con la absorción), aunque su impacto es muy, muy real.
Tales números complejos con componentes imaginarios son en realidad muy comunes en el campo de la ciencia óptica y más allá”.
Dado que las nuevas mediciones ópticas del carbono negro implican que los modelos climáticos actuales están subestimando su contribución al calentamiento atmosférico, el equipo espera que otros investigadores climáticos y legisladores puedan hacer uso de sus hallazgos.
El método desarrollado por el equipo para determinar el índice de refracción complejo de las partículas se puede aplicar a materiales distintos del carbono negro.
Esto permite la identificación óptica de partículas desconocidas en la atmósfera, el océano o los núcleos de hielo, y la evaluación de las propiedades ópticas de los materiales en polvo, no solo los relacionados con el problema actual del cambio climático.
