Aerosoles Atmosféricos: En la Tierra y en Marte

El  estudio de los aerosoles es de gran importancia ya que, debido a su alta variabilidad temporal y espacial, constituyen una de las mayores fuentes de incertidumbre en diferentes procesos que ocurren en la atmósfera y que afectan tanto al clima como a la visibilidad, calidad del aire o a la salud humana.

¿Qué es un aerosol? Denominamos aerosol a una dispersión de partículas sólidas y líquidas en suspensión en un gas. Los aerosoles atmosféricos se refieren a partículas sólidas y líquidas suspendidas en el aire. Estos son principalmente producidos por diferentes procesos que ocurren en las superficies de la Tierra y del agua, y en la propia atmósfera. Se producen tanto en la troposfera como en la estratosfera, pero hay diferencias considerables en los rangos de tamaño, en la naturaleza química y en las fuentes de los aerosoles que se producen en estas dos capas de la atmósfera.

Los aerosoles tienen importantes consecuencias para el clima global, los procesos del ecosistema y la salud humana. La contaminación atmosférica por aerosoles se define como el cambio en la composición natural de la atmósfera debido a la suspensión de partículas, siendo uno de los grandes problemas ambientales en los países más desarrollados. Por otro lado, los aerosoles presentan una alta variabilidad espacial y temporal en la atmósfera con lo que su estudio en muy importante para saber los efectos que producen sobre el clima.

    Desde el espacio, mediante el uso de la teledetección y desde estaciones en Tierra se obtienen medidas muy precisas de aerosoles, siendo la medida más importante el espesor óptico de aerosoles (AOD o  τa) ya que puede ser aplicado en los cálculos de transferencia radiativa y en la evaluación del tratamiento de los aerosoles en los modelos regionales y el clima, pues representa la carga total de aerosoles en la columna atmosférica.

    Como hemos definido los aerosoles atmosféricos son partículas en estado sólido o líquido que se encuentran suspendidas en la atmósfera, partículas  cuyo tamaño puede oscilar entre 0.001 y 100 μm.

Captura

Su presencia en ella puede ser debida a distintas causas y, por tanto, una forma de clasificarlos es en función de su origen, distinguiendo entre aerosoles primarios o secundarios.  El primer tipo corresponde a aquellos que se incorporan directamente a la atmósfera a través de emisiones naturales (erupciones volcánicas, polvo desértico, etc.) o actividades antropogénicas (quema de combustibles fósiles, actividades industriales, etc.); mientras que los del segundo tipo son los que se originan como consecuencia de diversos procesos químicos que tienen lugar en ella.

Captura                                              Aerosoles de origen natural

CapturaAerosoles de origen Antropogénico

    Los aerosoles tienen un impacto directo en el balance radiativo de la Tierra dispersando y absorbiendo la radiación solar (Qianshan He et al-2010) y  sus efectos radiativos se clasifican en directos (efectos en la propagación de la radiación), indirectos (modificación de los efectos radiativos de las nubes) y semidirectos (efecto de la absorción de los aerosoles en una nube).  Informes del  IPCC[1] (2007) estiman que a nivel global medio el forzamiento radiativo directo de los aerosoles antropogénicos en el TOA (techo de la atmosfera) es negativo, favoreciendo el enfriamiento del clima, y con una incertidumbre muy grande. En el caso del forzamiento radiativo indirecto las incertidumbres son todavía mayores.

 La acumulación de aerosoles puede ser observada e influir en la visibilidad cuando se presentan en la siguiente forma:

 –  Niebla: Suspensión en el aire de finas gotas de agua. Se produce sobre la superficie del suelo y reducen la visibilidad.

Calima: Son partículas secas de tamaño muy pequeño en suspensión (polvo, cenizas, arcilla o arena). Una variante de la calima sería la Bruma que da una mayor visibilidad.

El humo: Suspensión en la atmósfera de partículas pequeñas producidas por procesos de combustión.

 Los aerosoles tienen diferentes componentes según el fenómeno que los genere, los componentes básicos de los aerosoles  son los siguientes (Esteve A.R. 2011):

a) Sales marinas. Las partículas de sal marina se generan en los mares y océanos debido a la acción mecánica del viento o la lluvia sobre su superficie, la pulverización de las olas del mar cuando la velocidad del viento es muy alta y la explosión de las burbujas de aire durante la formación de la espuma forman estos aerosoles.

b) Aerosoles extraterrestres. Provienen en su mayor parte de pequeños meteoritos, asteroides, cometas y restos de la formación del Sistema Solar, el polvo interplanetario. Estas pequeñas partículas se desintegran total o parcialmente al llegar a la atmósfera terrestre. Fundamentalmente se componen de elementos como Hierro, Magnesio, Silicio, Azufre y Argón, se calcula que aproximadamente una tonelada de este polvo es capturada por la Tierra al día.

c) Minerales. Las partículas minerales se generan por la acción mecánica del viento en zonas desérticas o áridas, donde son arrancadas de la superficie e incorporadas a la atmósfera mediante mecanismos de convección y circulación atmosférica

d) Sustancias carbonáceas. Las partículas de carbón son generadas en fenómenos de combustión (industriales o vehículos a motor), siendo de especial importancia a nivel global tanto los generados en la quema de grandes extensiones de biomasa forestal como los ligados a la actividad industrial y urbana.

e) Sulfatos. Las partículas que contienen sulfatos o compuestos con azufre pueden ser de origen natural (erupciones volcánicas, procesos biológicos de los seres vivos marinos…) o antropogénico (combustibles fósiles).

f) Nitratos. Los más frecuentes son los derivados del N2O, generado en los fertilizantes agrícolas, o del NO2, generado en los procesos industriales, tormentas y oxidaciones de algunos gases atmosféricos.

g) Compuestos orgánicos. Los hay de origen antropogénico (quema de biomasa) y natural (por ejemplo el polen).

h) Aerosoles volcánicos. Las erupciones volcánicas inyectan gran cantidad de aerosoles y gases a las capas altas de la atmósfera. Están formados por cenizas, polvo no soluble y gases reactivos. Estas partículas alcanzan la alta troposfera y la estratosfera, y sufren largos desplazamientos por todo el planeta, llegando a tener tiempos de residencia en la atmósfera de varios años.

 Pero la clasificación más precisa y útil a nivel global  es la clasificación de aerosoles a partir de modelos climáticos (d’Almeida,1991)[2].

A continuación se muestran los cinco tipos de aerosoles más importantes:

a) Aerosoles marítimos. Debido a que dos tercios de la superficie terrestre está cubierta por agua, este tipo de aerosol es de los más importantes a nivel climatológico. Está formado por sustancias solubles en agua (99.96%) y partículas salinas (0.04%). A partir de su interacción con otros tipos de aerosoles, se tienen tres tipos:

Marítimo limpio o puro. Este aerosol se encuentra en regiones oceánicas muy alejadas de la costa, y consiste en sulfatos biogénicos y sales marinas de varios tamaños. Definen masas de aire bastante limpias.

Marítimo mineral. Este aerosol se encuentra en aquellas regiones del planeta donde las partículas marinas se mezclan con aerosoles de origen desértico, que pueden haber sido transportados a grandes distancias de sus fuentes. Es muy común en el Mediterráneo y al oeste de África, donde las partículas de polvo sahariano se mezclan con masas de aire cargadas de aerosol marítimo.

Marítimo contaminado. Este aerosol se produce por la mezcla del aerosol marítimo puro con masas de aire de regiones contaminadas. Se trata de un tipo importante de aerosol en los procesos de  formación de nubes, y por lo tanto en el balance radiativo. Este tipo de aerosol está presente en el Mediterráneo, donde el aerosol marítimo se mezcla con las masas de aire contaminadas de Europa.

 b) Aerosoles continentales. Se trata de aerosoles compuestos de polvo y sustancias solubles en agua. Se tienen cuatro tipos:

Rural o continental puro. Compuesto principalmente por sustancias solubles en agua y partículas minerales, se encuentra en zonas continentales alejadas de fuentes de contaminación.

– Forestal puro. Típico de zonas forestales densas y muy extensas, fundamentalmente se compone de sustancias biológicas.

Continental promedio. Este es una mezcla del aerosol rural con el proveniente de zonas industrializadas, y consiste en una mezcla de hollín, polvo y aerosoles solubles en agua. Este tipo es muy frecuente en zonas del continente europeo.

Urbano. Se genera en zonas con un alto grado de contaminación antropogénica, originada por la actividad industrial, residencial, agrícola y por el tráfico de vehículos. Su composición es variable, con proporciones de hollín, polvo, sulfatos, nitratos y material orgánico.

c) Aerosoles desérticos. Se componen de partículas minerales de diferentes tamaños, presentando gran variabilidad en sus propiedades ópticas y microfísicas.

d) Aerosoles árticos. Tienen su origen en las plataformas continentales del norte de Europa y Asia, así como en los océanos que las circundan. Su composición consiste principalmente en partículas marinas y minerales.

 e) Aerosoles antárticos. Son similares a los aerosoles árticos, pero son menos variables ya que están más alejados de las fuentes de polución troposférica. Representan las condiciones del continente antártico. Está compuesto principalmente de partículas minerales, sulfatos y sales marinas.

Por tanto el  estudio de los aerosoles es de gran importancia ya que, debido a su alta variabilidad temporal y espacial, constituyen una de las mayores fuentes de incertidumbre en diferentes procesos que ocurren en la atmósfera y que afectan tanto al clima (IPCC, 2007) como a la visibilidad (Santese et al., 2007; Samet et al., 2000), calidad del aire (Torres et al., 2002) o a la salud humana (Samet et al., 2000).

Para caracterizarlos es necesario conocer tanto sus propiedades, su concentración en la atmósfera o su origen, como su distribución espacial y temporal o su dinámica global.

Aerosoles en otros planetas: Marte.

Pese a que Marte tiene una atmósfera muy débil en comparación con la Tierra y tan solo un 1% de la presión atmosférica que tenemos en la Tierra, se producen una gran cantidad de tormentas de arena, tanto a nivel local como a nivel global.

El viento está en parte influenciado por la circulación atmosférica general (y por lo tanto puede variar con la estación y el tiempo local). La configuración regional y posiblemente local también controla significativamente las características del viento, que sobretodo los efectos de la topografía, el albedo, y la inercia térmica.

Una tormenta de polvo local es un evento que se produce en Marte en una escala reducida, cuyo eje principal no es mayor que 2000 km y la superficie es menor que 106 km². Produce efectos locales como opacidades y variaciones de temperatura.

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También pueden ocurrir tormentas de polvo globales que por lo general se origina a partir de una serie de tormentas regionales. Es probable que se produzcan en el rango de Ls 200º a Ls 310º (verano y otoño marciano) y puede durar muchos días marcianos.

CapturaEstaciones en Marte, puede verse que Ls:200 a Ls:300 corresponde a la posición de Marte en su orbita en las estaciones de verano y otoño.

Produce fuertes efectos globales sobre opacidades por el polvo, temperaturas y la circulación atmosférica (vientos ecuatoriales) y, por tanto, las tormentas de polvo tienen una gran influencia en perfiles atmosféricos de Marte.

Más información sobre aerosoles:

[1] Panel Intergubernamental del Cambio Climático

[2] G.A. d’Almeida, P. Koepke, and E.P. Shettle. Atmospheric aerosols. Global climatology and radiative characteristics. A. Deepak Publishing, Hampton, 1991.

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