Experimento CLOUD resolve quebra-cabeça de novas partículas de aerossol na troposfera superior

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O experimento CLOUD no CERN (Imagem: CERN)

O isopreno emitido pelas florestas tropicais pode ser uma fonte globalmente importante de partículas de aerossol que influenciam as nuvens, de acordo com um novo estudo da colaboração CLOUD no CERN

Em um artigo publicado hoje na revista  Nature , a colaboração CLOUD no CERN revela uma nova fonte de partículas de aerossol atmosférico que pode ajudar os cientistas a refinar modelos climáticos. 

Aerossóis são partículas microscópicas suspensas na atmosfera que surgem de fontes naturais e atividades humanas. Eles desempenham um papel importante no sistema climático da Terra porque semeiam nuvens e influenciam sua refletividade e cobertura. A maioria dos aerossóis surge da condensação espontânea de moléculas que estão presentes na atmosfera apenas em concentrações mínimas. No entanto, os vapores responsáveis ​​por sua formação não são bem compreendidos, particularmente na remota troposfera superior.

O experimento CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) no CERN é projetado para investigar a formação e o crescimento de partículas de aerossol atmosférico em um ambiente de laboratório controlado. O CLOUD compreende uma câmara ultralimpa de 26 m 3  e um conjunto de instrumentos avançados que analisam continuamente seu conteúdo. A câmara contém uma mistura precisamente selecionada de gases sob condições atmosféricas, na qual feixes secundários de píons carregados são disparados do Proton Synchrotron do CERN para imitar a influência dos raios cósmicos galácticos. 

“Altas concentrações de partículas de aerossol foram observadas em altas altitudes sobre a floresta amazônica nos últimos vinte anos, mas sua fonte permaneceu um enigma até agora”, diz o porta-voz da CLOUD, Jasper Kirkby. “Nosso último estudo mostra que a fonte é o isopreno emitido pela floresta tropical e elevado em nuvens convectivas profundas a grandes altitudes, onde é oxidado para formar vapores altamente condensáveis. O isopreno representa uma vasta fonte de partículas biogênicas nas atmosferas atuais e pré-industriais que atualmente está ausente na química atmosférica e nos modelos climáticos.”

O isopreno é um hidrocarboneto que contém cinco átomos de carbono e oito átomos de hidrogênio. Ele é emitido por árvores de folhas largas e outras vegetações e é o hidrocarboneto não metano mais abundante liberado na atmosfera. Até agora, a capacidade do isopreno de formar novas partículas foi considerada insignificante.

Os resultados do CLOUD mudam esse quadro. Ao estudar a reação de radicais hidroxila com isopreno em temperaturas troposféricas superiores de -30 °C e -50 °C, a colaboração descobriu que os produtos de oxidação do isopreno formam partículas abundantes em concentrações de isopreno ambiente. Essa nova fonte de partículas de aerossol não requer vapores adicionais. No entanto, quando concentrações mínimas de ácido sulfúrico ou oxoácidos de iodo foram introduzidas na câmara CLOUD, um aumento de 100 vezes na taxa de formação de aerossol foi observado. Embora o ácido sulfúrico derive principalmente de emissões antropogênicas de dióxido de enxofre, as concentrações de ácido usadas no CLOUD também podem surgir de fontes naturais.

Além disso, a equipe descobriu que os produtos de oxidação do isopreno impulsionam o rápido crescimento de partículas para tamanhos nos quais podem semear nuvens e influenciar o clima - um comportamento que persiste na presença de óxidos de nitrogênio produzidos por raios em concentrações troposféricas superiores. Após crescimento contínuo e descida para altitudes mais baixas, essas partículas podem fornecer uma fonte globalmente importante para a semeadura de nuvens continentais e marinhas rasas, que influenciam o equilíbrio radiativo da Terra (a quantidade de radiação solar incidente em comparação com a radiação de onda longa emitida).

“Essa nova fonte de partículas biogênicas na troposfera superior pode impactar estimativas da sensibilidade climática da Terra, uma vez que implica que mais partículas de aerossol foram produzidas na atmosfera pré-industrial imaculada do que se pensava anteriormente”, acrescenta Kirkby. “No entanto, até que nossas descobertas sejam avaliadas em modelos climáticos globais, não é possível quantificar o efeito.”

As descobertas do CLOUD são consistentes com observações de aeronaves sobre a Amazônia, conforme relatado em um artigo de acompanhamento na mesma edição da  Nature . Juntos, os dois artigos fornecem uma imagem convincente da importância da formação de aerossóis impulsionada por isopreno e sua relevância para a atmosfera. 

Desde que começou a operar em 2009, o experimento CLOUD descobriu vários mecanismos pelos quais partículas de aerossol se formam e crescem em diferentes regiões da atmosfera da Terra.

“Além de ajudar os pesquisadores do clima a entender o papel crítico dos aerossóis no clima da Terra, o novo resultado do CLOUD demonstra a rica diversidade do programa científico do CERN e o poder da ciência baseada em aceleradores para enfrentar os desafios sociais”, diz o Diretor de Pesquisa e Computação do CERN, Joachim Mnich

O isopreno das florestas é transportado eficientemente à noite por nuvens convectivas profundas para a troposfera superior. Durante o dia, o isopreno que se acumulou durante a noite, juntamente com o isopreno convectivo durante o dia, reage com radicais hidroxila e NOx de raios para produzir moléculas orgânicas de isopreno oxigenadas. Estas combinam-se com vestígios de ácidos para produzir altas concentrações de partículas a temperaturas abaixo de -30 °C. As partículas recém-formadas crescem rapidamente ao longo de várias horas e dias enquanto seguem as massas de ar descendentes. Este mecanismo pode fornecer uma extensa fonte de núcleos de condensação de nuvens para nuvens continentais e marinhas rasas, que influenciam o equilíbrio radiativo da Terra.

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Fonte:  CERN / Publicação 04/12/2024

https://home.cern/news/press-release/physics/cloud-experiment-resolves-puzzle-new-aerosol-particles-upper-troposphere

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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia). Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

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