Un mecanismo de defensa que surgió y desapareció varias veces en el transcurso de la historia evolutiva de distintos linajes de plantas, especialmente en árboles de ambientes cálidos, ejerce un papel crucial en la Amazonia sobre uno de los parámetros más importantes del clima terrestre: la cantidad de nubes existentes en el cielo. Probablemente como forma de afrontar los picos de estrés térmico, las hojas de los árboles emiten un compuesto volátil, el gas isopreno (C₅H₈). Durante el día, en presencia de la luz solar, el isopreno se degrada rápidamente tras su liberación. Pero bajo determinadas condiciones nocturnas, este compuesto permanece en el aire durante más tiempo, gana altura y se transforma en un ingrediente esencial de la química atmosférica, una especie de difusor de los procesos que resultan en la formación de las nubes. Ésta es la principal conclusión que surge de dos nuevos estudios a cargo de grupos internacionales que contaron con la participación de científicos brasileños, publicados simultáneamente en diciembre en la revista Nature.
El isopreno, una molécula de la familia de los terpenos, que comprende a los principales compuestos volátiles que emiten las plantas, cuando es liberado por las hojas de los árboles y escapa a su final temprano reacciona con otros gases y desencadena una serie de reacciones en la baja y en la alta tropósfera, la capa más superficial de la atmósfera terrestre. Esas interacciones aumentan decenas de veces la tasa de formación de partículas de aerosoles y posteriormente de núcleos de condensación, los embriones de las nubes. Este mecanismo potencia la génesis de nubes no solamente sobre la Amazonia, sino también sobre el océano Atlántico y probablemente sobre otras partes del globo. Aproximadamente las dos terceras partes de la superficie del planeta están cubiertas permanentemente por nubes, un ingrediente del clima que puede tanto calentar como enfriar una región, aparte de llevar humedad a través de las lluvias.
Los artículos muestran en detalles la secuencia de interacciones fisicoquímicas entre el isopreno y otros compuestos que deriva en la formación de enormes cantidades de partículas de aerosoles en la alta tropósfera de la Amazonia, a alturas ubicadas entre los 8 y los 15 kilómetros (km). Esas partículas inicialmente son de algunos nanómetros (nm) de diámetro, pero con el tiempo se agregan con otros aerosoles y crecen en tamaño. Pueden ser transportadas hacia diferentes partes del globo debido a la circulación atmosférica y poseen un importante papel en la génesis de los núcleos de condensación de las nubes. Cuando alcanzan la baja tropósfera, a entre 1 y 2 km de altura, los núcleos de al menos 50 nm de diámetro funcionan como soportes del vapor de agua, que se condensa (se convierte en líquido) y da origen a las nubes. Sin los núcleos, no existen nubes, que pueden ser de buen tiempo o de lluvia.
El descubrimiento del juego de interacciones disparado por la emisión del isopreno, que se convierte en gas a temperaturas superiores a los 34 grados Celsius (ºC), explica un fenómeno observado hace dos décadas en los cielos de la Amazonia. A comienzos de la década de 2000, algunos científicos tomaron conocimiento de la existencia de concentraciones de aerosoles en la alta tropósfera de la gran selva tropical que eran 160 veces mayores que las medidas cerca de la superficie. Sin embargo, no existía una explicación consistente para ese hallazgo hasta la publicación de los nuevos trabajos. “Ahora hemos resuelto este misterio y demostramos que un compuesto orgánico liberado por la propia selva, el isopreno, inicia el proceso de formación de esos aerosoles”, dice el físico Paulo Artaxo, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) y coautor de uno de los estudios, que aparecieron como destacados en la portada de Nature. “Es sumamente importante entender el proceso de formación de las nubes para perfeccionar nuestros modelos de previsión meteorológica y climática.”
Uno de los artículos se basa en datos de procesos químicos obtenidos en sobrevuelos a la Amazonia con el avión Halo, del Centro Aeroespacial Alemán (DLR), entre diciembre de 2022 y enero de 2023. Estas actividades formaron parte del proyecto Chemistry of the Atmosphere: Field Experiment in Brazil (Cafe-Brazil), un experimento de campo llevado a cabo hace dos años. “Realizamos 136 horas de vuelo y recorrimos 89.000 km sobre la Amazonia”, comenta el meteorólogo Luiz Augusto Machado, del IF-USP y colaborador del Instituto Max Planck de Química, de Alemania, quien supervisó todos los vuelos y fue de la partida en algunos de ellos. El avión Halo despegaba desde Manaos incluso antes de que amaneciera para captar las interacciones fisicoquímicas del isopreno sin la influencia de la luz solar, y podía permanecer en el aire durante 10 horas seguidas registrando parámetros de la atmósfera.
El segundo trabajo se concretó en las dependencias de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern), en Suiza, en la cámara Cloud (Cosmics Leaving Outdoor Droplets). Este aparato genera las condiciones y los procesos que suceden en la atmósfera. “Cloud es un cilindro de acero inoxidable de 3 metros de altura, que es abastecido con aire ultralimpio con las mismas proporciones de nitrógeno y oxígeno que existen en la atmósfera”, comenta la meteoróloga brasileña Gabriela Unfer, quien lleva adelante su doctorado en el Instituto Leibniz de Investigación Troposférica, en Leipzig, Alemania. Unfer es la única brasileña que suscribe ambos artículos sobre los aerosoles de gran altitud.
Para que el sistema Cloud pueda simular las condiciones de la atmósfera de una zona del planeta, es necesario suministrarle a la cámara la información meteorológica y química referente a ese lugar del planeta. “Los datos de campo obtenidos en los vuelos del programa Cafe-Brazil sirvieron de base para que pudiesen simularse en el Cloud las correctas configuraciones de temperatura, humedad y de concentración de gases. Así fue como reprodujimos en el laboratorio la formación de aerosoles de gran altitud desencadenada por las emisiones de isopreno de las plantas”, explica Unfer.
El aspecto más sorprendente de los estudios indica que los aerosoles que se forman a entre 8 y 15 km de altura deben su existencia a procesos que comienzan en medio de los árboles de la Amazonia. “Si la selva tropical sigue siendo deforestada, eso tendrá un impacto sobre el proceso de producción de los aerosoles en la alta tropósfera y, por consiguiente, sobre la formación de las nubes más cerca de la superficie”, comenta el meteorólogo Micael Amore Cecchini, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP, otro autor de uno de los papers que participó en la campaña Cafe-Brazil.
Dirk Dienhart / Instituto Max Planc de Química El avión Halo sobrevuela la Amazonia para efectuar mediciones de la química de la atmósferaDirk Dienhart / Instituto Max Planc de Química
La clave de todo el proceso es el isopreno, un compuesto volátil orgánico incoloro, con un levísimo aroma que puede remitir al caucho o al petróleo. La emanación de esta molécula gaseosa, expelida como una especie de transpiración de la vegetación, es un mecanismo evolutivo que ayuda a las plantas, especialmente a las tropicales, a protegerse contra los efectos negativos de los picos de calor. Cerca de la superficie, en la baja atmósfera, el isopreno dura minutos o unas pocas horas. Durante el día, bajo la luz solar, este gas reacciona con el ozono y con otros compuestos y desaparece rápidamente y casi por completo de la atmósfera.
Pero las moléculas de isopreno que no se destruyen y las que emiten tras la puesta del sol los árboles de la Amazonia escapan de ese final precoz y son transportadas a la alta atmósfera debido a la acción de las tormentas nocturnas. A unos 15 km de altura, en donde la temperatura es inferior a los 30 ºC bajo cero, el isopreno no se degrada como sucede cerca de la superficie e interactúa con otros compuestos. La producción nocturna de rayos durante las tormentas hace que el isopreno se una a moléculas de óxidos de nitrógeno y forme rápidamente una enorme cantidad de partículas de aerosoles de algunos nanómetros. “En la alta atmósfera, el isopreno acelera 100 veces la velocidad de formación de los aerosoles”, comenta Machado. La velocidad de desplazamiento de los aerosoles en la alta tropósfera llega a los 150 km por hora. Por eso es razonable suponer que los mismos migren hacia áreas muy alejadas de la Amazonia, en donde perderían altura y se aglutinarían hasta formar núcleos de condensación de nubes a entre uno y dos km por encima de la superficie.
Es probable que este mismo mecanismo de formación de los aerosoles a altitudes elevadas también se concrete en otras partes del planeta, especialmente sobre las selvas tropicales del Congo, en África, y en el sudeste asiático. El isopreno es el principal compuesto volátil que emiten las plantas. Se liberan anualmente alrededor de 600 millones de toneladas rumbo a la atmósfera. “Este tipo de formación de partículas de aerosoles en la alta tropósfera ocurriría no solamente en la Amazonia, sino también en todos los bosques tropicales, dado que todos ellos emiten mucho isopreno”, dice en entrevista concedida a Pesquisa FAPESP el meteorólogo Joachim Curtius, de la Universidad de Fráncfort, autor principal del estudio con los datos del experimento Cafe-Brazil. “La selva amazónica por sí sola es responsable de más de una cuarta parte de las emisiones totales de isopreno.”
El paso siguiente de los estudios consiste en intentar entender con mayores detalles de qué manera se concreta el crecimiento y el transporte de los aerosoles en la alta tropósfera de la Amazonia y cómo transcurre su descenso hacia las cercanías de la superficie terrestre. “No sabemos qué cantidad de esas partículas se pierden debido a colisiones con otras partículas y en otras interacciones ni cuántas ‘sobreviven’ y se convierten en núcleos de condensación en las bajas alturas del trópico, donde se forman las nubes”, comenta Curtius. En este proceso, el isopreno es solamente la punta del iceberg o, mejor dicho: la punta de la nube.
Este artículo salió publicado con el título “De la selva al aire ” en la edición impresa n° 347 de enero de 2025.
Proyectos
1. Las interacciones entre gases trazas, aerosoles y nubes en la Amazonia: de la emisión de bioaerosoles a los impactos a gran escala (nº 23/04358-9); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Paulo Artaxo; Inversión R$ 4.109.920,65.
2. La correlación entre el nivel de organización de los campos de nubes convectivas y los ciclos hidrológicos y de los aerosoles en la Amazonia (Cloudorg) (nº 22/13257-9); Modalidad Ayuda de Investigación – Jóvenes Investigadores; Programa FAPESP de Investigaciones sobre Cambios Climáticos Globales ( PFPMCG); Acuerdo Instituto Serrapilheira; Investigador responsable Micael Amore Cecchini (USP); Inversión R$ 1.471.125,05.
3. Las interacciones entre los aerosoles y los eventos de tiempo en la Amazonia (nº 21/03547-7); Modalidad Beca de maestría; Investigador responsable Luiz Augusto Toledo Machado (USP); Becaria Gabriela Unfer; Inversión R$ 73.911,67.
Artículos científicos
CURTIUS, J. et al. Isoprene nitrates drive new particle formation in Amazon’s upper troposphere. Nature. 4 dic. 2024.
SHEN, J. et al. New particle formation from isoprene under upper-tropospheric conditions. Nature. 4 dic. 2024.
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