4.6: ¿De dónde provienen los Núcleos de Condensación de Nube (CCN)?
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Ahora que sabes todo sobre la composición en fase gaseosa de la atmósfera, es momento de mirar su composición de partículas. Nos interesan las partículas atmosféricas por varias razones:
- los más pequeños pueden ingresar a los pulmones y causar serios problemas de salud;
- los más pequeños pueden absorber o dispersar la luz solar, afectando así el clima;
- algunos de ellos son buenos núcleos de condensación de nubes, que son esenciales para la formación de nubes.
El aerosol atmosférico es más obvio para nosotros en los cálidos días de verano bochornosos. Bajo estas condiciones, hay muchas partículas de aerosol y absorben agua y se hinchan hasta un tamaño que es bastante eficiente para dispersar la luz solar. La siguiente foto fue tomada sobre Maryland en un vuelo entre el aeropuerto Washington Dulles y el aeropuerto de State College. Por encima de las nubes cúmulos de buen tiempo se encuentra el cielo azul en la troposfera libre. Debajo de las nubes se encuentra la capa límite atmosférica, que está llena de aerosol que ha sido bien mezclado por paquetes de aire cálido y húmedo que se elevan y agitan el aire de la capa límite. La neblina es tan espesa que es un poco difícil ver el suelo.
Las partículas atmosféricas provienen de muchas fuentes diferentes. Los buenos núcleos de condensación de nubes (CCN) deben ser partículas pequeñas, para que no se asienten demasiado rápido, y deben ser hidrófilos, lo que significa que el agua se puede pegar. Pueden ser solubles (es decir, solubles en agua), o insolubles, pero la mayoría son solubles.
La mayoría de las partículas se originan de las emisiones de la superficie terrestre. Los aerosoles primarios se emiten directamente desde la fuente, aunque los más pequeños comienzan como gases calientes que se condensan rápidamente para formar partículas incluso antes de que salgan de la chimenea o el tubo de escape. Los aerosoles secundarios son emisiones gaseosas que se convierten en partículas de aerosol por reacciones químicas en la atmósfera. Algunos de estos se convierten en CCN. Este proceso a menudo se denomina conversión de gas a partícula. La mayoría de los CCN son aerosoles secundarios.
Las fuentes son tanto naturales como antropogénicas (hechas por el hombre). Los aerosoles marinos, los volcanes, los bosques y los incendios forestales, así como la conversión de gas a partículas de gases naturales como el dióxido de azufre (SO 2) y algunos COV naturales, como el α-pineno (que le da olor a pino) son importantes fuentes naturales de partículas. La industria, las centrales eléctricas, el uso de incendios para eliminar las tierras de cultivo, el transporte y la conversión de gas a partículas del SO 2 antropogénico y muchas otras emisiones de gases son importantes fuentes de partículas antropogénicas.
Tenga en cuenta que debemos prestar atención no solo a las fuentes de aerosol sino también a los sumideros de aerosol, como se muestra en el diagrama a continuación.
Las diferentes fuentes hacen partículas de diferentes tamaños. La distribución típica de tamaños (es decir, número de partículas en un volumen de aire, trazada en función del tamaño) tiene protuberancias en ella, con más partículas en algunos tamaños que en otros, como se ve en el diagrama a continuación. Leer estos baches nos dice mucho sobre cómo se hicieron las partículas.
El modo de nucleación (hay otras designaciones para esto) incluye partículas que se hacen por conversión de gas a partícula. Un vapor de baja volatilidad es aquel que se condensa sobre partículas u otras superficies cuando su presión de vapor excede su presión de vapor de baja saturación. Esta situación es análoga al agua.
El modo grueso incluye partículas hechas por procesos mecánicos. Las partículas gruesas hidrófilas pueden ser CCN, pero se asientan bastante rápido.
Las partículas en modo de acumulación generalmente se producen cuando las partículas de nucleación colisionan y se pegan (llamadas coagulación) o cuando los gases se acumulan en una partícula en modo nucleación. No se asientan rápido ni coagulan, por lo que tienden a rondar en la atmósfera por algunas semanas. Hacen bastante buen CCN.
PM2.5 - Partículas Secundarias de la Formación de Gas a Partículas
PM2.5 es una designación de tamaño de partícula que significa “Materia de partículas menores de 2.5 µm de diámetro”. Otro término común es PM10, que es “materia de partículas menores de 10 µm de diámetro”. Las partículas PM2.5 son las que son más importantes para la salud humana y el clima y, en muchos casos, la formación de nubes debido a su mayor vida útil en la atmósfera.
Las partículas secundarias comienzan con la emisión de COV o compuestos de azufre, los cuales reaccionan principalmente con OH para iniciar una secuencia de reacciones. Estas reacciones tienden a agregar oxígeno a las moléculas, lo que químicamente las hace más pegajosas (con una menor presión de vapor de saturación) y más solubles en agua, que es justo lo que se necesita para que sean mejores núcleos de condensación de nubes.
Para las partículas que comienzan como compuestos gaseosos de azufre, como el dióxido de azufre (SO 2), la secuencia de reacción comienza con OH y el producto de reacción es ácido sulfúrico, un compuesto que tiene una presión de vapor muy baja y es muy pegajoso.
\[S O_{2}+O H \rightarrow \rightarrow H_{2} S O_{4}\]
El ácido sulfúrico se absorbe fácilmente en gotas de nubes y gotas de lluvia y luego se puede depositar en la superficie de la Tierra cuando llueve. La buena noticia es que la lluvia limpia el ambiente. La mala noticia es que la lluvia es muy ácida y se ha ganado el nombre de “lluvia ácida” por sus efectos nocivos en los bosques y en edificios, monumentos conmemorativos y estatuas.
Si las fuentes de azufre están a favor del viento de un área, las partículas en esa área contendrán algo de azufre. Pero casi todas las partículas atmosféricas también contienen algunos compuestos orgánicos y a veces las partículas están compuestas principalmente por compuestos orgánicos que contienen carbono. Algunas de estas partículas orgánicas son primarias, pero la mayoría de las pequeñas están hechas por conversión de gas a partícula, lo que es solo una forma sencilla de decir que los compuestos orgánicos volátiles reaccionan en la atmósfera con OH u O 3 para formar compuestos orgánicos menos volátiles que se convierten en partículas de aerosol. Los químicos en estas partículas pueden continuar oxidándose, lo que las hace aún mejores CCN.
Podemos demostrar la conversión de gas a partícula de un COV que a menudo es emitido a la atmósfera por los árboles. Este compuesto es limoneno y también proviene de naranjas. En el video (4:47) a continuación titulado “Demostración de Conversión de Gas a Partículas”, utilizaré cáscara de naranja para demostrar este efecto.
Demostración de conversión de gas a partículas
- Haga clic aquí para ver la transcripción del video Conversión de Gas a Partículas.
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El día de hoy les voy a mostrar cómo las partículas pueden venir de los gases. Entonces lo que tengo aquí es que tengo un ambiente artificial aquí mismo, un frasco de vidrio. Tengo una fuente de luz ahí, que actuará como el sol, así que aquí está el sol aquí mismo. Voy a poner el sol. El sol está apagado ahora mismo. Y luego tengo una fuente de gases, una naranja. Entonces déjame pelar primero la naranja. Pelemos la naranja aquí. Un poco de naranja. Quítate un poco de cáscara de la naranja. Bien, ya es suficiente. Entonces ahora aquí tenemos algo de cáscara de naranja. Eso huele muy bien. Entonces lo que voy a hacer es tomar un poco de cáscara de naranja y exprimirla un poco, y la voy a dejar caer en la atmósfera. Aprieta un poco más y déjalo caer en la atmósfera. Ahora voy a poner la tapa en el ambiente. OK. Ahí vamos. Ahora ven aquí tengo cáscara de naranja y así hay algunos gases que huelen muy bien, estos compuestos orgánicos volátiles. Así puedo oler, y huelen muy bien. Y te voy a mostrar que a pesar de que puse eso ahí, tengo una fuente de luz. Aquí hay un pequeño láser, solo un puntero láser, y ya ves que lo estoy brillando ahí y realmente no ves ninguna partícula aquí dentro. Así que mira aquí y no hay partículas. ¿Ves eso? Sin partículas. Bien, ahora voy a encender el sol, que es esta linda luz ultravioleta de aquí. Entonces voy a encender el sol, y sólo vamos a esperar un poco. Entonces el sol está encendido. Se puede ver brillando aquí y aquí. Y entonces lo que eso está haciendo es que está produciendo montones y montones y montones de OH, el radical hidroxilo. Y también está produciendo mucho ozono, y así está haciendo lo que hace la atmósfera, que es oxidar los compuestos orgánicos volátiles que vinieron de la cáscara de naranja. Esos compuestos orgánicos volátiles, uno de los principales se llama limoneno, que por supuesto también está en limones y limas. Y así sólo vamos a dejar que se cocine un poco y dejar que el día continúe un poquito. Y entonces lo que podemos hacer es ver si estamos haciendo alguna partícula. Entonces déjame sacudirlo un poco como si hubiera un poco de viento. Ahí vamos. Entonces ahora ves que tenemos una luz muy brillante de la lámpara. Realmente se ha vuelto brillante. Y podemos ver que está haciendo mucho. Caliéntelo un poco más. Ahora solo echaremos un vistazo rápido y veremos si vemos algo. Entonces la luz láser aquí no podemos ver nada en la atmósfera fuera de la cámara, así que la estoy brillando. Ahora mismo esto me está golpeando la mano, como ven aquí. Y no hay ningún tipo de dispersión. Pero ya apagué la luz. Ahora brillamos esto aquí, y vemos un rayo tremendo. Y así todo esto son pequeñas partículas que hicimos que ahora están dispersando esa luz. A ver se puede ver ese rayo muy fuerte. Y todas esas partículas vinieron de los compuestos orgánicos volátiles, el limoneno y otros, que salieron de la cáscara de naranja y luego se oxidaron en la atmósfera para hacer compuestos menos volátiles, uno que tenía menor presión de vapor, y luego esas todas se pegaron e hicieron estas pequeñas partículas bonitas que se ven aquí. Entonces hay una demostración de conversión de gas a partículas.