‘Máquina de nubes’: emisiones y descargas eléctricas de la selva amazónica producen partículas de lluvia

Un estudio publicado en la revista Nature muestra el mecanismo que hace que el isopreno –un gas que libera la vegetación– genere grandes cantidades de aerosoles, responsables de formar núcleos de condensación. Este proceso puede influir en el clima global

Por Luciana Constantino  |  Agência FAPESP – Un grupo internacional de científicos, con destacada participación brasileña, logró por primera vez develar el mecanismo fisicoquímico que explica el complejo sistema de formación de las lluvias en la Amazonia, con influjo sobre el clima global. El mismo comprende la producción de nanopartículas de aerosoles, descargas eléctricas y reacciones químicas a grandes alturas que ocurren entre la noche y el día, y que resultan en una especie de “máquina” de aerosoles que produce nubes.

En la investigación, que apareció estampada en la portada de la revista Nature, se describen los mecanismos mediante los cuales el isopreno –un gas liberado por la vegetación por acción de su metabolismo– es transportado hasta la capa de la atmósfera ubicada por encima de la superficie terrestre cerca de la tropopausa durante las tormentas nocturnas. Una serie de reacciones químicas desencadenadas por la radiación solar da origen a una gran cantidad de aerosoles que forman las nubes. Esta producción de partículas se acelera mediante reacciones con óxidos de nitrógeno producidos por las descargas eléctricas en la alta atmósfera, en nubes dominadas por cristales de hielo.

Los científicos habían identificado las partículas en una expedición anterior, pero no habían determinado su mecanismo fisicoquímico completo. Se creía que el isopreno no llegaría a las capas superiores de la atmósfera pues reaccionaría a lo largo del trayecto ya que es bastante reactivo, y se degradaría rápidamente con la luz solar. Con el descubrimiento de estos nuevos mecanismos, será posible perfeccionar los modelos del sistema terrestre, herramientas fundamentales para simular el clima y entender el funcionamiento presente y futuro del planeta.

Para arribar a este resultado, el grupo de investigadores se valió del material obtenido durante el experimento científico CAFE-Brazil, las siglas en inglés de Chemistry of the Atmosphere: Field Experiment in Brazil. En el marco de dicho experimento, único en su tipo, se realizaron diversos vuelos sobre la cuenca amazónica entre diciembre de 2022 y enero de 2023, a 14 kilómetros (km) de altitud, lo que corresponde a dos veces la altura del Aconcagua, la montaña más alta de América del Sur. Los vuelos sumaron un total de 136 horas y cubrieron 89.000 km, más de dos vueltas completas a la Tierra a la altura del ecuador.

La aeronave de investigación del proyecto CAFE-Brazil inmediatamente después del despegue (foto: Dirk Dienhart/Instituto de Química Max Planck)

“Uno de los destacados de este trabajo consiste en ver de qué manera existe en la Amazonia una simbiosis de complejos mecanismos e importantes fenómenos que opera dentro de un sensible equilibrio del ecosistema. La preservación de este equilibrio permite mantener las condiciones del clima tal como las conocemos actualmente. Las alteraciones, como las que provocan por los cambios climáticos o la deforestación, pueden generar efectos inesperados y no estudiados todavía”, le explica a la Agência FAPESP uno de los autores brasileños de la investigación, el profesor Luiz Augusto Toledo Machado.

Investigador del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) y colaborador del Departamento de Química del Instituto Max Planck, en Alemania, Toledo Machado dice que este resultado abre un horizonte amplio para analizar el impacto del calentamiento global sobre el clima, el medio ambiente y el ecosistema.

Para Paulo Artaxo, coordinador del Centro de Estudios Amazonia Sostenible (CEAS) de la USP, docente del IF-USP y coautor del artículo, estos resultados permiten realizar modelados con una mayor confiabilidad, al incluir mecanismos desde el punto de vista fisicoquímico y biológico.

“Las emisiones de isopreno dependen de la selva en pie. No ocurren si la vegetación autóctona es reemplazada por pasturas o por cultivos de soja. Con el desmonte, este mecanismo de producción de partículas es destruido, con lo cual disminuye la formación de nubes y de precipitaciones. Es lo que denominamos realimentación negativa en el sistema climático total, pues el desmonte disminuye las precipitaciones de manera significativa al menguar la evapotranspiración y la producción de partículas, que dependen de las emisiones de isopreno”, afirma Artaxo.

En octubre de 2024, MapBiomas –una red colaborativa formada por organizaciones no gubernamentales, universidades y startups de tecnología que mapea la cobertura y el uso del suelo en Brasil– dio a conocer un estudio basado en imágenes satelitales que mostró que las pasturas constituyeron la principal finalidad del desmonte en la Amazonia entre 1985 y 2023. Durante dicho período de tiempo, la expansión de esa área fue de más del 363 %, al pasar de alrededor de 12,7 millones de hectáreas a 59 millones de hectáreas. De este modo, el 14 % de la Amazonia se había convertido en áreas de pasturas en 2023.

El mecanismo

La selva exhala aromas sumamente característicos. Son gases conocidos como compuestos orgánicos volátiles (COV), entre ellos el terpeno –un grupo de sustancias existentes en las resinas de los árboles y en los aceites esenciales– y el isopreno. Se estima que los bosques de todo el mundo liberan más de 500 millones de toneladas de isopreno en la atmósfera anualmente, y una cuarta de esas emisiones surgen de la Amazonia.

En la selva amazónica, el isopreno se emite durante el día, pues depende de la luz solar. Se creía que este gas no llegaba a las capas más altas de la atmósfera porque sería destruido en pocas horas por los radicales hidroxilos, altamente reactivos. “Pero ahora hemos determinado que esto es parcialmente verdad. Aún hay una cantidad considerable de isopreno por la noche. Una parte significativa de estas moléculas puede transportarse hacia las capas más altas de la atmósfera”, afirma en un comunicado el autor corresponsal del artículo, Joachim Curtius, docente de la Universidad Goethe de Frankfurt (Alemania).

Durante la noche, las tormentas tropicales sobre la selva ayudan a transportar gases como el isopreno hacia las capas más altas mediante una convección intensa. Este proceso, análogo a una aspiradora, es impulsado por las corrientes de aire ascendentes, especialmente en las zonas con alta humedad y calor acumulado. Los gases se combinan con compuestos de nitrógeno provenientes de los relámpagos en la alta atmósfera.

En las áreas más altas, situadas entre los 8 y los 15 km de altitud, las temperaturas llegan a los 60 °C negativos. Alrededor de dos horas después del amanecer, los radicales hidroxilos que se forman también a estas altitudes reaccionan con el isopreno dando origen a nitratos orgánicos, compuestos distintos a los que se encuentran cerca del suelo. Y producen de este modo altas concentraciones de nanopartículas de aerosoles: más de 50.000 mil por centímetro cúbico.

Estas partículas crecen en el transcurso del tiempo y son transportadas a través de largas distancias; y pueden actuar como núcleos de condensación de nubes. Influyen sobre el ciclo hidrológico global, el balance de radiación y el clima. Los mecanismos de formación de estos compuestos nitrogenados orgánicos quedarán ahora incorporados a los modelos climáticos, para mejorar los pronósticos de lluvias, especialmente en las zonas tropicales.

La FAPESP apoya el estudio en el marco de un Proyecto Temático vinculado al Programa de Investigaciones sobre Cambios Climáticos Globales (PFPMCG) liderado por Toledo Machado y de otro a cargo de Artaxo, además de otros cuatro proyectos (23-04358-9, 21/03547-7, 22/01780-9 y 22/13257-9).

Aparte de esta investigación, en la misma edición de Nature puede leerse otro estudio desarrollado por una parte del equipo de científicos en el cual se aborda la nueva formación de partículas a partir del isopreno en la tropósfera superior. Los investigadores reproducen en cámaras experimentales las condiciones existentes a esas altitudes analizando minuciosamente las reacciones que desencadena la luz solar.

La expedición

Diversos vuelos de investigación realizados en el experimento CAFE-Brazil aportaron a la generación de perfiles de altura para diferentes gases. Fue posible medir masas de aire transportadas a la tropósfera superior y las diferencias entre las situaciones diurnas y nocturnas.

El profesor Toledo Machado, quien participó en el recabado de información en la Amazonia, comenta que los vuelos llegaban a tener una duración de hasta 12 horas. “Atravesábamos las noches. Nos percatamos de que las partículas se formaban por la mañana. Por eso salíamos de madrugada. Los equipos iban hacia el aeropuerto para volar, mientras con otros investigadores nos quedábamos en la sala de operaciones realizando el seguimiento y suministrando directrices con los pronósticos y datos de dónde se encontraban las lluvias. Yo también hacía vuelos que entraban en las nubes para medir el isopreno. Fue muy emocionante”, relata.

Toledo Machado, a la izquierda, durante uno de los vuelos (foto: archivo personal)

La base de trabajo se montó en Manaos, la capital del estado brasileño de Amazonas. Los vuelos se concretaban con el avión HALO (las siglas en inglés de High Altitude and LOng range research aircraft), una aeronave de investigación para largas distancias (más de 8.000 km), grandes alturas (hasta 15,5 km) y grandes cargas (hasta 3 toneladas). El experimento contó con la colaboración de la Universidad Goethe de Fráncfort, el Instituto Max Planck de Química (Alemania), el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) de Brasil –que fue responsable del permiso de la expedición científica coordinada por el investigador Dirceu Herdies, también autor del artículo–, el Instituto Nacional de Investigaciones de la Amazonia (Inpa) y la USP.

El equipo del CAFE-Brazil, con sede en Manaos (foto: difusión)

Otro estudio que Toledo Machado lideró y que salió publicado recientemente en la revista Nature Geoscience muestra que la selva por sí sola es capaz de producir aerosoles que desencadenan −inducidos por la propia lluvia− un proceso de nuevas formaciones de nubes y precipitaciones.

Pueden leerse los artículos intitulados Isoprene nitrates drive new particle formation in Amazon’s upper troposphere y New particle formation from isoprene in the upper troposphere en los siguientes enlaces respectivamente: www.nature.com/articles/s41586-024-08192-4 y www.nature.com/articles/s41586-024-08196-0.