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Meteorología

De la polvareda al temporal

En el marco de un proyecto con un avión alemán se investigará de qué manera se producen tormentas eléctricas en la Amazonia por acción de nanopartículas

Los aerosoles ultrafinos contribuyen a la formación de las tormentas más violentas en la Amazonia

Léo Ramos Chaves

El sorprendente descubrimiento de que las nubes de tormenta en la Amazonia se forman de manera diferente que en otras partes del mundo han dado vuelta algunos de los conceptos básicos de la meteorología. A primera vista, las nubes sobre el bosque ecuatorial más grande del mundo parecen ser como en cualquier otro lugar: un enjambre de gotas de agua y cristales de hielo suspendidos en el aire. Las gotas aparecen y crecen cuando el vapor de agua presente en la atmósfera se condensa sobre la superficie de partículas de humo y polvo microscópico cargadas por el viento y que reciben el nombre de aerosoles. Dado que las fuentes de aerosoles normalmente están en el suelo, se esperaría que la concentración de estas partículas disminuya con la altura. Sin embargo, entre 2014 y 2015, dos importantes campañas de observación científica que contaron con la participación de brasileños y extranjeros, las misiones GOAmazon y Acridicon-Chuva, registraron lo contrario.

En la Amazonia, la concentración más alta de aerosoles no está cerca del suelo, sino por encima de la cumbre de las nubes más grandes, a unos 15 kilómetros (km) de altura, según los estudios producidos por los participantes en los experimentos. El trabajo también indicó que la mayoría de estas partículas suspendidas sobre las nubes tienen un diámetro de menos de 50 nanómetros. En general, las partículas de este tamaño se considerarían demasiado pequeñas como para contribuir a la formación de nubes de lluvia. Pero una vez más la Amazonia es una excepción a la regla. En un artículo publicado en enero de 2018 en la revista Science, un equipo de investigadores de instituciones brasileñas, alemanas y estadounidenses de ambas misiones declaró que estos aerosoles ultrafinos constituyen uno de los ingredientes claves para darles forma a las tormentas más violentas de la región.

Ahora, para comprender mejor este hallazgo, los meteorólogos Luiz Augusto Machado, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, en portugués), quien coordinó la misión Acridicon-Chuva, y Johannes Lelieveld, del Instituto de Química Max Planck (MPIC), de Alemania, comenzaron los preparativos del proyecto Cafe, las siglas de Experimento de Campo de Química Atmosférica. “La nueva misión está siendo diseñada para estudiar esta materia en partículas ultradelgadas que descubrimos en la atmósfera superior”, dice Machado. “Queremos saber cuáles son las fuentes de este material, cómo se almacena en la atmósfera superior y cómo se precipita”.

A principios de este año, los investigadores del Cafe definirán, entre otros detalles, cómo serán los vuelos que el avión de investigación alemán Halo realizará sobre la Amazonia, programados para 2020. Halo es un jet ejecutivo modificado para hacer investigación científica, capaz de alcanzar los 16 km de altura, a unos 6 km por encima de la altitud crucero de los vuelos comerciales. No será la primera vez que esta aeronave será utilizada para estudiar la atmósfera de la selva tropical. Entre agosto y septiembre de 2014, durante el proyecto Acridicon-Chuva, el Halo realizó 14 vuelos. Desde Manaos, el avión voló de un lado a otro a través de cientos de kilómetros, tanto al noroeste, donde se encuentran las regiones forestales mejor conservadas y el aire está relativamente libre de interferencias de contaminación, como hacia el sur, hasta el tramo más contaminado del llamado “arco de deforestación”, donde se concentran los incendios que convierten al bosque en pasturas o plantaciones.

Además de los instrumentos meteorológicos terrestres, el GOAmazon contó en sus misiones con equipos de análisis de química atmosférica instalados en otro jet, un Gulfstream-1 del Laboratorio del Pacífico Noroeste (PNNL) del gobierno de EE. UU. con capacidad para alcanzar hasta 7 km de altura. Machado explica que el proceso de planificación y la aprobación de las misiones de recopilación de datos con aviones extranjeros son complejos y pueden tardar más de un año en aprobarse, ya que dependen de la luz verde de los consejos de seguridad del Consejo Nacional para el Desarrollo Científico y Tecnológico ( CNPq) y de la Fuerza Aérea Brasileña. “Volaremos a grandes alturas y alrededor de nubes de convección profunda”, dice Machado.

Las nubes de convección se forman debido al movimiento vertical de las masas de aire en función de las variaciones de temperatura. Las profundas son esas nubes muy grandes, como torres de algodón, de 10 a 15 km de ancho y hasta 15 km de altura llamadas Cumulus Nimbus. Este es el tipo predominante de formación de nubes de tormenta en toda la Amazonia durante el final de la temporada “seca”, entre septiembre y noviembre, cuando la lluvia ocurre con menos frecuencia, aunque es más intensa. Estas nubes, de forma aislada, también son más comunes en la Región Metropolitana de Manaos y en las áreas con la mayor cantidad de quemas. En la temporada de lluvias y en las áreas forestales mejor conservadas que están aisladas de la contaminación, este tipo de nubes es menos intenso y más profundo. Las nubes poco profundas predominan en la selva, la fuente de una lluvia más suave y constante.

Los científicos pretenden descubrir cómo se almacena en la atmósfera superior la materia en partículas y cómo se transporta abajo

“El piloto de Halo hace lo que todos los comandantes de aviones saben que está prohibido: acercarse a una nube de convección profunda”, comenta la meteoróloga Rachel Albrecht, de la Universidad de São Paulo (USP), quien ha colaborado con Machado desde el comienzo de los proyectos GOAmazon y Acridicon-Chuva. Los peligros son muchos: la turbulencia de las corrientes de aire, el hielo que se cristaliza en el fuselaje y lo vuelve más pesado, los granizos que golpean las ventanas y las descargas eléctricas de los rayos. Según el investigador, aún queda mucho por entenderse sobre el proceso de formación de hielo y rayos en las nubes convectivas. “Es debido al choque entre las partículas de hielo que se forman los rayos dentro de una nube”, explica Albrecht.

Los efectos de la contaminación de la ciudad de Manaos en la formación de nubes y lluvia en las regiones forestales vecinas a la metrópolis amazónica se cuantificaron en el marco de la tesis doctoral del meteorólogo Micael Cecchini, defendida en diciembre de 2017, bajo la dirección de Machado. Galardonado por la Capes como la mejor tesis de geociencia de ese año, ese trabajo utilizó datos de los proyectos GOAmazon y Acridicon-Chuva para reunir evidencia de cómo hace aumentar la cantidad de gotas de lluvia la alta concentración de aerosoles causados por la contaminación en la capital del estado de Amazonas, pero disminuye el tamaño de dichas gotas en nubes poco profundas durante la temporada de lluvias.  “La duplicación del nivel de contaminación del aire aumenta la concentración de gotas de nubes en un 84%, mientras que disminuye el diámetro promedio de las gotas en un 25%”, dice Cecchini.

Los proyectos Acridicon-Chuva y GOAmazon han confirmado que, en la Amazonia, donde los ríos y la transpiración de las plantas generan vapor de agua en abundancia, el tipo de nubes y de lluvias de una época o región depende fundamentalmente de la cantidad de partículas de aerosoles en suspensión en la atmósfera. Cuanto mayor es la concentración de aerosoles, menor es la cantidad de vapor de agua que se condensa en cada una de las partículas en el aire. La abundancia de aerosoles produce nubes con un gran número de gotas muy pequeñas. Las gotas más pequeñas tienen menos probabilidades de colisionar y fusionarse para formar gotas más grandes. Las gotas relativamente grandes tienden a crecer rápidamente y caen como lluvia en el suelo.

En las zonas de selva limpia, donde hay pocos aerosoles, se forman nubes más planas que se disuelven rápidamente en la forma de una suave lluvia. “Estas gotas más grandes hacen que las nubes sean más transparentes y crean el arco iris” dice el geoquímico Meinrat Andreae, el del MPIC, quien tomó parte en la misión Acridicon-Chuva. En las regiones forestales afectadas por la contaminación urbana en Manaos y el humo de los incendios de deforestación, la concentración de aerosoles es miles de veces mayor que en las regiones forestales vírgenes. Este escenario da lugar a una inmensa cantidad de pequeñas gotas de agua que pueden permanecer suspendidas en el aire durante mucho tiempo. Muchas de estas gotitas son transportadas por las corrientes de aire ascendentes a grandes alturas, donde se convierten en cristales de hielo antes de ser transportadas por las corrientes descendentes. “Estas nubes generalmente no producen lluvia. Solo cuando se vuelven lo suficientemente grandes como para alcanzar más de 12 km de espesor generan lluvias violentas, granizo y rayos”.

El ciclo biogeoquímico
La misión Cafe forma parte de un proyecto de investigación más grande financiado por la FAPESP y coordinado por Paulo Artaxo, físico del Instituto de Física de la USP que se especializa en la formación de aerosoles amazónicos. En el transcurso de más de tres décadas de investigación, Artaxo y sus colaboradores nacionales e internacionales han descubierto cómo una serie de compuestos orgánicos volátiles emitidos naturalmente por la selva influyen en la formación de nubes y precipitaciones en la región. “En el Cafe investigaremos la convección del aire dentro de las nubes que lleva los compuestos orgánicos volátiles a grandes alturas y los mecanismos que los convierten en nanopartículas”, dice Artaxo. En enero de 2018, un artículo de los brasileños y sus socios internacionales publicado en la revista Atmospheric Chemistry and Physics mostró cómo funcionaría todo el ciclo biogeoquímico al vincular los gases forestales con la formación de nubes y los aerosoles ultrafinos.  “Mostramos cómo se forman los aerosoles ultrafinos a partir de gases trasportados desde la atmósfera superior por las nubes convectivas”, dice Andreae, el primer autor del estudio.

El ciclo propuesto por los investigadores comenzaría cuando las corrientes ascendentes de las nubes convectivas levantan compuestos orgánicos volátiles del bosque, como los gases de terpeno e isopreno. Durante su viaje a la cima de las nubes, a unos 15 km de distancia, estos gases sufrirían cambios físicos y reacciones químicas y se convertirían en los aerosoles ultradelgados observados por los instrumentos del Halo. Los aerosoles ultrafinos se concentrarían en la atmósfera superior hasta que una corriente descendente de aire creada por otra nube convectiva los arrastrara abajo.

Este escenario explicaría la observación publicada por los mismos investigadores en octubre de 2016 en la revista Nature, que indica que las fuertes lluvias aumentan la concentración de aerosoles ultrafinos en la superficie. Los aerosoles ultrafinos sufrirían aún más modificaciones fisicoquímicas a medida que viajan hacia la superficie, aumentando su capacidad de condensar agua. Cerca del suelo, se combinarían con los compuestos orgánicos volátiles emitidos por la selva, fuente de aerosoles más grandes a bajas altitudes, y darían lugar a nuevas nubes de lluvia. Sería un ciclo que se alimenta constantemente de gases.

Proyectos
1.
Procesos de nubes asociados con los principales sistemas de precipitaciones en Brasil: una contribución al modelado a escala de nubes y al GPM (medida global de precipitaciones) (nº 09/15235-8); Modalidad Proyecto temático; Investigador responsable Luiz Augusto Toledo Machado (Inpe); Inversión R $ 2.634.280,59.
2. GOAmazon: Interacción de la pluma urbana de Manaos con las emisiones biogénicas de la selva amazónica (nº 13/05014-0); Modalidad Proyecto temático; Programa de Investigación sobre Cambio Climático Global; Investigador responsable Paulo Artaxo (IF-USP); Inversión R $ 4.257.655,73.

Artículos científicos
FAN, J. et al. Substantial convection and precipitation enhancements by ultrafine aerosol particles. Science. 26 ene. 2018.
ANDREAE, M.O. et al. Aerosol characteristics and particle production in the upper troposphere over the Amazon Basin. Atmospheric Chemistry and Physics. 25 ene. 2018.

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