Un nuevo modelo muestra cómo los niveles del “detergente de la atmósfera” pueden subir y bajar en respuesta al cambio climático.

El metano es un poderoso gas de efecto invernadero que está sólo detrás del dióxido de carbono en cuanto a su contribución al aumento de las temperaturas globales. Pero no permanece mucho tiempo en la atmósfera gracias a unas moléculas llamadas radicales hidroxilo, conocidas como el “detergente de la atmósfera” por su capacidad para descomponer el metano. Sin embargo, a medida que el planeta se calienta, no está claro cómo responderán estos agentes que limpian el aire.

Los científicos del MIT ahora arrojan algo de luz sobre esto. El equipo ha desarrollado un nuevo modelo para estudiar los diferentes procesos que controlan cómo los niveles de radical hidroxilo cambiarán con el aumento de las temperaturas.

Descubren que el panorama es complejo. Al aumentar las temperaturas, también lo hará el vapor de agua en la atmósfera, lo que a su vez elevará las concentraciones de esta molécula. Pero las temperaturas en ascenso también incrementarán las “emisiones de compuestos orgánicos volátiles biogénicos”, gases que son liberados naturalmente por algunas plantas y árboles. Estas emisiones naturales pueden reducir el radical hidroxilo y atenuar el efecto de aumento del vapor de agua.

Específicamente, el equipo encuentra que si las temperaturas medias del planeta aumentan 2 grados Celsius, el incremento concomitante en el vapor de agua aumentará los niveles de radical hidroxilo en aproximadamente un 9 por ciento. Pero el aumento correspondiente en las emisiones biogénicas reduciría los niveles de radical hidroxilo en un 6 por ciento. El resultado final podría significar un pequeño aumento, de alrededor del 3 por ciento, en la capacidad de la atmósfera para descomponer el metano y otros compuestos químicos a medida que el planeta se calienta.

“Los radicales hidroxilo son importantes para determinar la vida útil del metano y otros gases de efecto invernadero reactivos, así como gases que afectan la salud pública, incluyendo el ozono y ciertos otros contaminantes atmosféricos,” dice la autora del estudio Qindan Zhu, quien lideró el trabajo como postdoctorante en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT.

“Hay toda una serie de razones ambientales por las que queremos entender qué está pasando con esta molécula,” añade Arlene Fiore, profesora Peter H. Stone y Paola Malanotte Stone en EAPS. “Queremos asegurarnos de que esté presente para eliminar químicamente todos estos gases y contaminantes.”

El nuevo estudio de Fiore y Zhu aparece hoy en el Journal of Advances in Modeling Earth Systems (JAMES). Los coautores del estudio en MIT incluyen a Jian Guan y Paolo Giani, junto con Robert Pincus, Nicole Neumann, George Milly y Clare Singer del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty y la Columbia Climate School, y Brian Medeiros del Centro Nacional para la Investigación Atmosférica.

Un neutralizador natural

El radical hidroxilo, conocido químicamente como OH, está formado por un átomo de oxígeno y un átomo de hidrógeno, junto con un electrón no apareado. Esta configuración hace que la molécula sea extremadamente reactiva. Como una aspiradora química, el OH arranca fácilmente un electrón o un átomo de hidrógeno de otras moléculas, rompiéndolas en formas más débiles y solubles en agua. De este modo, el OH reduce una amplia variedad de químicos, incluidos algunos contaminantes atmosféricos, patógenos y ozono. Y los cambios en OH son una palanca poderosa sobre el metano.

“Para el metano, la reacción con OH es considerada la vía más importante de pérdida,” dice Zhu. “Aproximadamente el 90 por ciento del metano que se elimina de la atmósfera se debe a la reacción con OH.”

De hecho, es gracias a las reacciones con radical hidroxilo que el metano sólo puede permanecer en la atmósfera durante aproximadamente una década, mucho menos que el dióxido de carbono, que puede perdurar mil años o más. Pero aun cuando el OH descompone el metano ya presente en la atmósfera, más metano continúa acumulándose. Las concentraciones crecientes de metano, además de las emisiones humanas de dióxido de carbono, impulsan el calentamiento global, y no está claro cómo la capacidad limpiadora del OH frente al metano seguirá el ritmo.

“Las preguntas que exploramos aquí son: ¿Cuáles son los principales procesos que controlan las concentraciones de OH? ¿Y cómo responderá el OH al cambio climático?” dice Fiore.

El aire de un acuaplaneta

Para su estudio, los investigadores desarrollaron un nuevo modelo para simular los niveles de OH en la atmósfera bajo un escenario climático global actual, comparado con un futuro clima más cálido. Su modelo, llamado “AquaChem,” es una expansión de un modelo simplificado que forma parte de un paquete de herramientas desarrollado por el proyecto Community Earth System Model (CESM). El modelo base que eligieron representa la Tierra como un “acuaplaneta” simplificado, con una superficie completamente cubierta por océanos.

Los modelos de acuaplaneta permiten a los científicos estudiar interacciones detalladas en la atmósfera en respuesta a cambios en la temperatura superficial, sin tener que invertir tiempo y energía computacional en simular las complejas dinámicas entre tierra, agua y casquetes polares.

Aquaplanet, Zhu agregó un componente de química atmosférica que simula detalladas reacciones químicas en la atmósfera consistentes con las temperaturas de superficie aplicadas. Las reacciones químicas que modeló representan aquellas que se sabe afectan las concentraciones de OH.

El OH se produce principalmente cuando el ozono interactúa con la luz solar en presencia de vapor de agua. Por ejemplo, los científicos han encontrado que los niveles de OH pueden variar según ciertas emisiones antropogénicas y naturales, todas las cuales Zhu incorporó por separado y en conjunto dentro del modelo AquaChem para aislar el impacto de cada proceso en el OH.

Las emisiones incluyen en particular monóxido de carbono, metano, óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles (COV), algunos emitidos por prácticas humanas y otros generados por procesos naturales. Un tipo de COV derivados naturalmente son las emisiones “biogénicas” — gases, como el isopreno, que algunas plantas y árboles liberan a través de pequeños poros llamados estomas durante la transpiración.

En el modelo AquaChem, Zhu introdujo datos de cada tipo de emisión del año 2000 — un año que generalmente se considera que representa el clima actual en una forma simplificada. Estableció las temperaturas superficiales del acuaplaneta según la media anual zonal de ese año, y encontró que el modelo reproducía con precisión las principales sensibilidades de la química del OH en respuesta al procesamiento químico subyacente, como lo simula un modelo climático de química más complejo.

Luego, Zhu ejecutó el modelo bajo un segundo escenario, de calentamiento global. Estableció que las temperaturas superficiales del planeta subiesen 2 grados Celsius (un calentamiento que probablemente ocurrirá a menos que se mitiguen las emisiones globales de carbono de origen antropogénico). El equipo evaluó cómo este calentamiento afectaría los diversos tipos de emisiones y procesos químicos y cómo estos cambios afectarían finalmente los niveles de OH en la atmósfera.

Al final, encontraron que los dos mayores factores que afectan los niveles de OH eran el aumento del vapor de agua y las emisiones biogénicas. Descubrieron que el calentamiento global incrementaría la cantidad de vapor de agua en la atmósfera, lo que a su vez aumentaría la producción de OH en un 9 por ciento. Sin embargo, este mismo nivel de calentamiento también aumentaría las emisiones biogénicas como el isopreno, que reacciona con el OH y lo descompone, reduciendo sus niveles en un 6 por ciento.

El equipo reconoce que hay muchos otros factores que afectan la respuesta de las emisiones de isopreno al calentamiento superficial. El aumento de CO₂, no considerado en este estudio, podría atenuar esta respuesta impulsada por la temperatura. De todos los factores que pueden modificar los niveles de OH bajo el calentamiento global, los investigadores advierten que las emisiones biogénicas son las más inciertas, aunque parecen tener una gran influencia. De cara al futuro, los científicos planean actualizar AquaChem para seguir estudiando cómo las emisiones biogénicas, así como otros procesos y escenarios climáticos, podrían influir en las concentraciones de OH.

“Sabemos que cambios incluso de unos pocos por ciento en el OH atmosférico pueden importar al interpretar cómo podría acumularse el metano en la atmósfera,” dice Zhu. “Entender las tendencias futuras del OH nos permitirá determinar las tendencias futuras del metano.”

Este trabajo fue apoyado, en parte, por Spark Climate Solutions y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica.

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