15.05.2020 - Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt (Main)

Cómo la materia particulada surge de los gases contaminantes

Un proyecto internacional de investigación observa el crecimiento ultrarrápido de partículas a través del amoníaco y el ácido nítrico

Cuando la niebla tóxica invernal se apodera de las megaciudades asiáticas, se mide más materia de partículas en las calles de lo esperado. Un equipo internacional, que incluye investigadores de la Universidad Goethe de Frankfurt, así como de las universidades de Viena e Innsbruck, ha descubierto ahora que el ácido nítrico y el amoníaco en particular contribuyen a la formación de materia particulada adicional. El ácido nítrico y el amoníaco surgen en los centros de las ciudades predominantemente por los gases de escape de los automóviles. Los experimentos muestran que la alta concentración local de los vapores en las calles estrechas y cerradas de las ciudades acelera el crecimiento de diminutas nanopartículas en partículas de aerosol estables.

En los centros urbanos densamente poblados, las altas concentraciones de materia particulada causan considerables efectos sobre la salud. Especialmente en los meses de invierno, la situación en muchas megaciudades asiáticas es dramática cuando el smog reduce significativamente la visibilidad y la respiración se hace difícil.

Las partículas, con un diámetro inferior a 2,5 micrómetros, se forman en su mayoría directamente por medio de procesos de combustión, por ejemplo en automóviles o calentadores. Estas se llaman partículas primarias. Las partículas también se forman en el aire como partículas secundarias, cuando los gases de las sustancias orgánicas, el ácido sulfúrico, el ácido nítrico o el amoníaco, se condensan en minúsculas nanopartículas. Estas crecen en partículas que forman parte de la materia particulada.

Hasta ahora, la forma en que las partículas secundarias podían formarse en las estrechas calles de las megalópolis era un rompecabezas. Según los cálculos, las diminutas nanopartículas deberían acumularse en las partículas más grandes disponibles en abundancia en lugar de formar nuevas partículas.

Los científicos del proyecto internacional de investigación CLOUD han recreado ahora las condiciones que prevalecen en las calles de las megaciudades en una cámara climática del acelerador de partículas del CERN en Ginebra, y han reconstruido la formación de partículas secundarias: en las calles estrechas y cerradas de una ciudad se produce un aumento local de los contaminantes. La causa de la distribución irregular de los contaminantes se debe en parte a las altas emisiones contaminantes a nivel de la calle. Además, toma un tiempo antes de que el aire de la calle se mezcle con el aire circundante. Esto lleva a que los dos contaminantes, amoníaco y ácido nítrico, se concentren temporalmente en el aire de la calle. Como demuestran los experimentos de CLOUD, esta alta concentración crea condiciones en las que los dos contaminantes pueden condensarse en nanopartículas: el nitrato de amonio se forma en núcleos de condensación del tamaño de sólo unos pocos nanómetros, lo que hace que estas partículas crezcan rápidamente.

"Hemos observado que estas nanopartículas crecen rápidamente en pocos minutos. Algunas de ellas crecen cien veces más rápido de lo que habíamos visto anteriormente con otros contaminantes, como el ácido sulfúrico", explica el investigador climático Profesor Joachim Curtius de la Universidad Goethe de Frankfurt. "En los centros urbanos abarrotados, el proceso que observamos contribuye, por tanto, de manera importante a la formación de partículas en la niebla tóxica de invierno, ya que este proceso sólo tiene lugar a temperaturas inferiores a unos 5 grados centígrados". El físico de aerosoles Paul Winkler de la Universidad de Viena añade: "Cuando las condiciones son más cálidas, las partículas son demasiado volátiles para contribuir al crecimiento."

La formación de partículas de aerosol a partir de amoníaco y ácido nítrico probablemente tiene lugar no sólo en las ciudades y en las zonas más concurridas, sino también en ocasiones en altitudes atmosféricas más altas. El amoníaco, que se emite principalmente por la ganadería y otras actividades agrícolas, llega a la troposfera superior desde las parcelas de aire que se elevan desde cerca del suelo por convección profunda, y los rayos crean ácido nítrico a partir del nitrógeno del aire. "A las bajas temperaturas reinantes allí, se forman nuevas partículas de nitrato de amonio que como semillas de condensación juegan un papel en la formación de nubes", explica el físico iónico Armin Hansel de la Universidad de Innsbruck, señalando la relevancia de los hallazgos de la investigación para el clima.

El experimento CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) en el CERN estudia cómo se forman nuevas partículas de aerosol en la atmósfera a partir de gases precursores y continúan creciendo hasta convertirse en semillas de condensación. CLOUD proporciona así un entendimiento fundamental sobre la formación de nubes y partículas de materia. CLOUD está a cargo de un consorcio internacional formado por 21 instituciones. La cámara de medición CLOUD se desarrolló con los conocimientos técnicos del CERN y logra condiciones de medición definidas con gran precisión. En los experimentos de CLOUD se utilizan diversos instrumentos de medición para caracterizar las condiciones físicas y químicas de la atmósfera formada por partículas y gases. En el proyecto CLOUD, el equipo dirigido por Joachim Curtius del Instituto para la Atmósfera y el Medio Ambiente de la Universidad Goethe de Frankfurt desarrolla y opera dos espectrómetros de masa para detectar gases traza como el amoníaco y el ácido sulfúrico incluso en las concentraciones más pequeñas como parte de proyectos financiados por el BMBF y la UE. En la Facultad de Física de la Universidad de Viena, el equipo dirigido por Paul Winkler está desarrollando un nuevo dispositivo de medición de partículas como parte de un proyecto ERC. El dispositivo permitirá la investigación cuantitativa de la dinámica de los aerosoles específicamente en el rango de tamaño pertinente de 1 a 10 nanómetros. Armin Hansel del Instituto de Física de Iones y Física Aplicada de la Universidad de Innsbruck desarrolló un nuevo procedimiento de medición (PTR3-TOF-MS) para permitir un análisis aún más sensible de los gases traza en el experimento CLOUD con su equipo de investigación como parte de un proyecto FFG.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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