Los aerosoles en la selva amazónica se multiplican por cinco con la polución del aire en Manaos

Este fenómeno impacta sobre la producción de nubes y de lluvias, con consecuencias para el clima local y global, según advirtieron científicos en un estudio publicado en Nature Communications

Por Maria Fernanda Ziegler  |  Agência FAPESP – En el marco de un estudio internacional que contó con la participación de científicos de Brasil, se descubrió que la contaminación urbana proveniente de la ciudad de Manaos, la capital del estado brasileño de Amazonas, deriva en un incremento –mucho mayor que el esperable– de la formación de los aerosoles que la propia selva amazónica produce.

De acuerdo con un artículo publicado en la revista Nature Communications, la contaminación urbana resulta en un aumento promedio del 200% –con picos de hasta un 400%– en la formación de los aerosoles orgánicos secundarios. Este trabajo contó con el apoyo de la FAPESP a través de la campaña científica Green Ocean Amazon (GoAmazon) y de un Proyecto Temático vinculado al Programa FAPESP de Investigaciones sobre Cambios Climáticos Globales (PFPMCG).

El aumento exagerado de los aerosoles que la selva produce tiene un impacto significativo sobre factores importantes para los cambios climáticos globales, tales como el balance radiactivo y la producción de nubes y de lluvias, como así también sobre la tasa de fotosíntesis de las plantas. En situaciones en las cuales la contaminación urbana no afecta a la selva, los aerosoles orgánicos se producen en el suelo de la Amazonia. Con todo, y tal como quedó demostrado en el estudio, esto sucede en cantidades muy inferiores.  

Estudios análogos realizados en bosques boreales –que constituyen la base del modelado climático global– exhibían un aumento de a lo sumo un 60% en los aerosoles orgánicos secundarios producidos en bosques bajo el impacto de la contaminación de ciudades cercanas.

“Por primera vez hemos logrado entender y prever con modelos las concentraciones de aerosoles en la Amazonia. Ya se sabía que los modelos climáticos del hemisferio Norte no se aplican a los casos de la selva amazónica. Veíamos que esa cuenta, basada en los estudios anteriores, no cerraba. Por eso los resultados de esta nueva investigación dotarán de una mayor agudeza a los modelos meteorológicos, así como al modelado climático regional y global”, dijo Paulo Artaxo, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) y uno de los autores del artículo.

De acuerdo con Artaxo, el próximo paso consiste en englobar la química de los aerosoles tropicales en los modelos climáticos globales, como los del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) de la Organización de las Naciones Unidas (ONU), por ejemplo, para entonces lograr prever mejor los ciclos hidrológicos de la Amazonia e identificar las alteraciones en los patrones de lluvias de toda la región tropical del planeta.

Una pequeña alteración, un gran cambio

Los aerosoles son partículas (sólidas, líquidas o gaseosas) suspendidas en el aire. Pueden producirse naturalmente en la selva, como partículas primarias, o secundariamente en la atmósfera a partir de precursores gaseosos (COV) emitidos por los bosques (aerosoles orgánicos secundarios), por ejemplo, o por actividades humanas como la quema de combustibles fósiles.

El aumento de hasta un 400% de los aerosoles orgánicos secundarios en virtud de la pluma de contaminación de Manaos tiene un impacto sumamente significativo en el ecosistema. Esas partículas son importantes para la transmisión de la radiación solar en la atmósfera, para la formación y el desarrollo de nubes y para la producción de lluvia, entre otros efectos.

El grupo de científicos logró observar y medir compuestos provenientes de la pluma de contaminación de Manaos, tales como el ozono (O₃), los óxidos de nitrógeno (NOx), el dióxido de azufre (SO₂) y los radicales hidroxilos (OH).

“Cuando surge una gran cantidad de azufre y de compuestos nitrogenados en la atmósfera, en carácter de polución, ocurre una oxidación mucho más rápida de esos vapores orgánicos en la selva. Esta conversión crea muchos aerosoles nuevos, muchos más que los que existirían de manera puramente natural”, dijo Henrique Barbosa, docente del IF-USP y también autor del artículo.

En el estudio, el equipo internacional de investigadores analizó las consecuencias de estos cambios tanto desde el punto de vista experimental y observacional como cuando se utiliza el modelado numérico de los procesos atmosféricos. El grupo también simuló matemáticamente la formación de esa gran cantidad de aerosoles, identificando los procesos asociados a su origen y los mecanismos químicos que faltaban en los modelos utilizados hasta ahora.

“La Amazonia es una región extremadamente libre de contaminación. Un minúsculo aumento de los compuestos nitrogenados, por ejemplo, provoca un aumento brutal de aerosoles en la selva. La perturbación causada por la emisión antropogénica es sumamente violenta y genera impactos sobre todo el clima de la región, en el sistema hidrológico, como así también en el clima global”, dijo Barbosa.

Esta alteración tiene un fuerte impacto sobre todo en la formación de nubes en la Amazonia. “Observamos de qué manera se altera la velocidad del aire ascendiente a causa de la cantidad de aerosoles ultrafinos presentes en las nubes. Esto deja a las nubes más vigorosas y con más agua pasible de precipitación”, dijo Barbosa.

La fotosíntesis

La cantidad de aerosoles también influye fuertemente sobre la fotosíntesis de la selva, que depende de la radiación solar para la fijación del carbono del ecosistema.

“Notamos que hasta cierto punto el aumento de los aerosoles secundarios vuelve más eficiente a la fotosíntesis. Por encima del mismo, las reacciones ocurren en forma más lenta”, dijo Barbosa.

De acuerdo con el investigador, esto sucede a causa de la interacción de los aerosoles con la radiación solar. Cuando circulan libremente por el aire, los aerosoles pueden alterar la cantidad de radiación en la selva, ya sea la radiación directa (la que hace sombra) o la radiación difusa.

En la selva, como la vegetación posee distintos niveles de altura de las hojas, la radiación difusa tiene más facilidad para penetrar en las copas y llegar incluso a las hojas más bajas: es por ende más eficiente para que las plantas hagan la fotosíntesis.

En tanto, la radiación directa ilumina únicamente las capas más altas de hojas y, tras alcanzarlas, hace sombra. “Cuando hay más aerosoles en la atmósfera, aumenta la fotosíntesis. Sin embargo, de haber demasiados, la obstaculiza. Al cabo, no importa si aumenta la oferta de radiación difusa. En el balance final, los aerosoles terminan disminuyendo de tal manera la cantidad de luz solar que las plantas no logran fijar mucho carbono”, dijo Barbosa.

Isopreno

De acuerdo con los investigadores, el estudio mostró que las selvas tropicales son mucho más dinámicas de lo que se imaginaba. “El aumento de aerosoles causado por la contaminación es mucho mayor en las selvas tropicales [400%] que en los bosques boreales [60%]. Esto se debe a los mecanismos distintos de emisión y oxidación, sumados a la presencia de isopreno únicamente en las selvas tropicales”, dijo Artaxo.

El isopreno es un gas compuesto orgánico volátil (COV) emitido por las plantas en los bosques tropicales como parte de su proceso metabólico. Es emitido en grandes cantidades en la selva amazónica y tiene una vida media corta en la atmósfera, al transformarse en partículas de aerosoles. “La transformación del isopreno en partículas se ve sumamente acelerada por la presencia de la contaminación de Manaos, particularmente por las emisiones de óxidos de nitrógeno”, dijo Artaxo.

En los bosques boreales no existe emisión de isopreno sino de otro COV: el terpeno, y en cantidades muy bajas. Con todo, ese gas tiene una química atmosférica completamente distinta a la que se observa en el caso del isopreno.

“Esto hace que las emisiones de las selvas tropicales sean claves en la producción de partículas y también en la formación de ozono, con una química que era desconocida antes del experimento GoAmazon. Ahora que conocemos los mecanismos químicos, podemos englobarlos en los modelos climáticos globales y mejorar nuestra comprensión del rol de los bosques tropicales en el clima del planeta”, dijo Artaxo.

El investigador remarca que el aumento de aerosoles orgánicos secundarios no está relacionado únicamente con la contaminación urbana, como la que emiten los vehículos. Puede ser el resultado de otras actividades generadoras de óxido de nitrógeno, como la quema de bosques o la operación de generadores en pequeñas ciudades de la Amazonia.

“Descubrimos que los óxidos de nitrógeno constituyen el elemento catalizador de la formación de los aerosoles orgánicos secundarios. De existir ese compuesto en la contaminación, independientemente de la causa o de su origen, ese proceso de intensificación de la producción de partículas ocurrirá”, dijo Artaxo.

Mayor precisión

Actualmente, en los modelos climáticos se emplean mayoritariamente procesos oriundos de estudios realizados en el hemisferio Norte que, en el caso de los aerosoles orgánicos secundarios y sus impactos, no representan la realidad de la Amazonia o de los bosques tropicales.

Para arribar al nuevo modelo, con datos de la selva amazónica, se utilizaron mediciones realizadas desde aviones del Departamento de Energía de Estados Unidos (US-DoE), mediciones obtenidas en la superficie, en varias estaciones de muestreo, y un complejo programa de computadora que simula la química de la atmósfera y la meteorología a escala regional, que permite relacionar la meteorología con los procesos químicos existentes en la atmósfera que está arriba de la selva.

Con los datos de todas las reacciones químicas que ocurren en este proceso, los científicos lograron calibrar un modelo ya existente (WRF-Chem), que acopla la dinámica atmosférica con las complejas reacciones químicas, para simular la dispersión de la pluma de contaminación y la producción extra de aerosoles debido a la interacción entre la polución y las emisiones biogénicas naturales de la selva.

El próximo paso consistirá en integrar estos procesos en los modelos climáticos globales, a los efectos de perfeccionar los pronósticos de lluvias y de los procesos de formación de partículas a nivel global, mejorando así la comprensión del rol de los bosques tropicales en los cambios climáticos globales.

Puede leerse el artículo intitulado Urban pollution greatly enhances formation of natural aerosols over the Amazon rainforest (doi: 10.1038/s41467-019-08909-4), de Manish Shrivastava, Meinrat O. Andreae, Paulo Artaxo, Henrique M. J. Barbosa, Larry K. Berg, Joel Brito, Joseph Ching, Richard C. Easter, Jiwen Fan, Jerome D. Fast, Zhe Feng, Jose D. Fuentes, Marianne Glasius, Allen H. Goldstein, Eliane Gomes Alves, Helber Gomes, Dasa Gu, Alex Guenther, Shantanu H. Jathar, Saewung Kim, Ying Liu, Sijia Lou, Scot T. Martin, V. Faye McNeill, Adan Medeiros, Suzane S. de Sá, John E. Shilling, Stephen R. Springston, R. A. F. Souza, Joel A. Thornton, Gabriel Isaacman-VanWertz, Lindsay D. Yee, Rita Ynoue, Rahul A. Zaveri, Alla Zelenyuk y Chun Zhao, en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41467-019-08909-4. 

(Lea más sobre el GoAmazon en: agencia.fapesp.br/29670, agencia.fapesp.br/27138, agencia.fapesp.br/25528, agencia.fapesp.br/24236, agencia.fapesp.br/22366 y agencia.fapesp.br/18691) 

 

La polución del aire de Manaos genera un incremento de la formación de los aerosoles que la propia selva produce. El NOx que se emite en Manaos eleva la concentración de OH y de ozono (las flechas marrones), sustancias que aceleran la oxidación de los hidrocarburos que la selva emite naturalmente (isopreno: las flechas verdes). La ilustración muestra también que, en ausencia de contaminación urbana, las emisiones de NOx en el suelo (las flechas moradas) también impulsan el ciclo oxidante, pero en cantidades mucho menores