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Experimento CLOUD

El experimento CLOUD en el CERN El experimento Cosmics Leaving Outdoor Droplets ( CLOUD ) [1] está siendo llevado a cabo en el CERN por un grupo de investigadores dirigido por J...

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El experimento CLOUD en el CERN

El experimento Cosmics Leaving Outdoor Droplets ( CLOUD ) [1] está siendo llevado a cabo en el CERN por un grupo de investigadores dirigido por Jasper Kirkby para investigar la microfísica entre los rayos cósmicos galácticos (GCR) y los aerosoles en condiciones controladas. Se trata de un experimento de objetivo fijo que comenzó a funcionar en noviembre de 2009, [2] aunque originalmente se propuso en 2000. [3]

El objetivo principal es comprender la influencia de los rayos cósmicos galácticos (GCR) en los aerosoles y las nubes, y sus implicaciones para el clima. Aunque su diseño está optimizado para abordar la posibilidad de que los rayos cósmicos nucleen partículas de las nubes (como plantearon, por ejemplo, Henrik Svensmark y colegas [4] ), CLOUD también permite medir la nucleación y el crecimiento de los aerosoles en condiciones de laboratorio controladas. El IPCC reconoce que los aerosoles atmosféricos y su efecto sobre las nubes son la principal fuente de incertidumbre en los modelos actuales de forzamiento radiativo y climático, ya que un aumento de la cobertura de nubes reduce el calentamiento global.

Configuración

Vista del interior de la cámara del experimento CLOUD

El núcleo del experimento es una cámara de acero inoxidable de 26 m3 de volumen llena de aire sintético hecho de nitrógeno líquido y oxígeno líquido. La atmósfera y la presión de la cámara se miden y regulan mediante varios instrumentos. La cámara de aerosoles puede exponerse a un haz de partículas ajustable que simula los GCR a varias altitudes o latitudes. La iluminación UV permite la reacción fotolítica . La cámara contiene una jaula de campo eléctrico para controlar la deriva de pequeños iones y aerosoles cargados. [1] La ionización producida por los rayos cósmicos se puede eliminar con un campo eléctrico fuerte. Además, la humedad y la temperatura dentro de la cámara se pueden regular, lo que permite una rápida expansión adiabática para nubes artificiales (comparar cámara de nubes ) o experimentos sobre microfísica del hielo. Según Kirkby "el nivel de limpieza y control en un experimento de laboratorio está en el límite de la tecnología actual, y el conocimiento del CERN ha sido crucial para que CLOUD sea el primer experimento en lograr este rendimiento". [5]

Resultados

El CERN publicó un informe de 2009 sobre el progreso del proyecto CLOUD. [6] J. Kirkby (2009) analiza los avances del proyecto CLOUD del CERN y las pruebas planificadas. Describe los mecanismos de nucleación de nubes que parecen energéticamente favorables y dependen de los rayos gamma. [7] [8]

El 24 de agosto de 2011, una investigación preliminar publicada en la revista Nature demostró que existía una conexión entre los rayos cósmicos y la nucleación de aerosoles. Kirkby continuó diciendo en el comunicado de prensa definitivo del CERN: "La intensificación de los iones es particularmente pronunciada en las temperaturas frías de la troposfera media y superiores, donde CLOUD ha descubierto que el ácido sulfúrico y el vapor de agua pueden nuclearse sin necesidad de vapores adicionales. [9]

Proceso de producción de nuevas partículas de aerosol

Los primeros experimentos de CLOUD mostraron que el ácido sulfúrico (derivado del dióxido de azufre, del que los combustibles fósiles son la fuente predominante) como tal tiene un efecto mucho menor de lo que se había supuesto. En 2014, los investigadores de CLOUD presentaron resultados experimentales más recientes que mostraban una interacción entre los vapores biogénicos oxidados (por ejemplo, el alfa-pineno emitido por los árboles) y el ácido sulfúrico. Los iones producidos en la atmósfera por los rayos cósmicos galácticos aumentan significativamente la tasa de formación de estas partículas, siempre que las concentraciones de ácido sulfúrico y vapores orgánicos oxidados sean bastante bajas. Este nuevo proceso puede explicar las variaciones estacionales en las partículas de aerosol atmosférico, que se relacionan con mayores emisiones globales de los árboles en el verano del hemisferio norte. [5]

Además de los vapores biogénicos producidos por las plantas, CLOUD ha demostrado que otra clase de vapores traza, las aminas , se agrupan con ácido sulfúrico para producir nuevas partículas de aerosol en la atmósfera. Estas se encuentran cerca de sus fuentes primarias, por ejemplo, la ganadería , mientras que el alfa-pineno se encuentra generalmente sobre masas terrestres. Los experimentos muestran que el ácido sulfúrico y los vapores orgánicos oxidados en bajas concentraciones reproducen tasas adecuadas de nucleación de partículas. El mecanismo de nucleación utilizado en los modelos globales de aerosoles produce un ciclo estacional impulsado fotoquímicamente y biológicamente de concentraciones de partículas y formación de nubes en buen acuerdo con las observaciones. CLOUD hasta ahora permite explicar una gran fracción de semillas de nubes en la atmósfera inferior que involucran ácido sulfúrico y aerosoles biogénicos. [10] Los investigadores de CLOUD señalan que los rayos cósmicos tienen poca influencia en la formación de partículas de ácido sulfúrico-amina: "La contribución inducida por iones es generalmente pequeña, lo que refleja la alta estabilidad de los cúmulos de ácido sulfúrico-dimetilamina e indica que los rayos cósmicos galácticos ejercen solo una pequeña influencia en su formación, excepto a bajas tasas de formación general". [11] Este resultado no respalda la hipótesis de que los rayos cósmicos afecten significativamente al clima, aunque un comunicado de prensa del CERN afirma que tampoco "descarta un papel de la radiación cósmica" en el clima. [12]

Dunne et al. (2016) han presentado los principales resultados de 10 años de resultados obtenidos en el experimento CLOUD realizado en el CERN. Han estudiado en detalle los mecanismos físico-químicos y la cinética de la formación de aerosoles. El proceso de nucleación de gotitas de agua/microcristales de hielo a partir del vapor de agua reproducido en el experimento CLOUD y también observado directamente en la atmósfera de la Tierra no solo involucra la formación de iones debido a los rayos cósmicos sino también una gama de reacciones químicas complejas con ácido sulfúrico , amoniaco y compuestos orgánicos emitidos en el aire por actividades humanas y por organismos que viven en la tierra o en los océanos ( plancton ). [13] Aunque observan que una fracción de los núcleos de nubes se produce efectivamente por ionización debido a la interacción de los rayos cósmicos con los constituyentes de la atmósfera terrestre, este proceso es insuficiente para atribuir todas las modificaciones climáticas actuales a las fluctuaciones de la intensidad de los rayos cósmicos modulada por cambios en la actividad solar y la magnetosfera de la Tierra.

Referencias

  1. ^ Sitio web oficial de ab CLOUD
  2. ^ El experimento CLOUD proporciona información sin precedentes sobre la formación de nubes, CERN
  3. ^ The Cloud Collaboration (16 de abril de 2001). "Un estudio de la relación entre los rayos cósmicos y las nubes con una cámara de niebla en el CERN PS". arXiv : physics/0104048 .
  4. ^ Svensmark, Henrik; Friis-Christensen, Eigil (1997-07-01). "Variación del flujo de rayos cósmicos y la cobertura global de nubes: un eslabón perdido en las relaciones entre el sol y el clima". Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics . 59 (11): 1225– 1232. Bibcode :1997JASTP..59.1225S. doi :10.1016/S1364-6826(97)00001-1. ISSN  1364-6826.
  5. ^ ab "Experimento del CERN arroja nueva luz sobre la formación de nubes | CERN". home.cern . Dan Noyes. 16 de mayo de 2014 . Consultado el 2 de diciembre de 2015 .
  6. ^ Informe de progreso de 2009 sobre PS215/CLOUD Kirkby, Jasper, The CLOUD Collaboration, CERN, Ginebra, Comité de experimentos SPS y PS, CERN-SPSC-2010-013, 7 de abril de 2010
  7. ^ Vídeo sobre rayos cósmicos y clima de Jasper Kirkby, Coloquio del CERN, 4 de junio de 2009
  8. ^ Rayos cósmicos y clima Presentación de Jasper Kirkby, Coloquio del CERN, 4 de junio de 2009
  9. ^ Kirkby, Jasper; Curcio, Joaquín; Almeida, João; Dunne, Eimear; Duplissy, Jonathan; Ehrhart, Sebastián; Franchin, Alessandro; Gagné, Stéphanie; Ickes, Luisa; Kurten, Andreas; Kupc, Agnieszka; Metzger, Axel; Riccobono, Francesco; Rondo, Linda; Schobesberger, Sigfrido; Tsagkogeorgas, Georgios; Wimmer, Daniela; Amorim, Antonio; Bianchi, Federico; Breitenlechner, Martín; David, André; Dommen, Josef; Downard, Andrés; Ehn, Mikaël; Flagán, Richard C.; Haider, Stefan; Hansel, Armin; Hauser, Daniel; Jud, Werner; Junninen, Heikki; Kreissl, Fabián; Kvashin, Alejandro; Laaksonen, Ari; Lehtipalo, Katrianne; Lima, Jorge; Lovejoy, Edward R.; Makhmutov, Vladimir; Matot, Serge; Mikkilä, Jyri; Minginette, Pierre; Mogo, Sandra; Nieminen, Tuomo; Onnela, Antti; Pereira, Paulo; Petäjä, Tuukka; Schnitzhofer, Ralf; Seinfeld, John H.; Sipilä, Mikko; Stozhkov, Yuri; Stratmann, Frank; Tomé, Antonio; Vanhanen, Joonas; Viisanen, Yrjo; Vrtala, Aron; Wagner, Paul E.; Walther, Hansueli; Weingartner, Ernesto; Wex, Heike; Winkler, Paul M.; Carslaw, Kenneth S.; Worsnop, Douglas R.; Baltensperger, Urs; Kulmala, Markku (25 de agosto de 2011). "El papel del ácido sulfúrico, el amoníaco y los rayos cósmicos galácticos en la nucleación de aerosoles atmosféricos" (PDF) . Nature . 476 (7361): 429– 433. Bibcode :2011Natur.476..429K. doi :10.1038/nature10343. ISSN  0028-0836 . Número de identificación personal  21866156. Número de identificación personal  4326159.
  10. ^ Riccobono, Francesco; Schobesberger, Sigfrido; Scott, Catherine E.; Dommen, Josef; Ortega, Ismael K.; Rondo, Linda; Almeida, João; Amorim, Antonio; Bianchi, Federico (16 de mayo de 2014). "Los productos de oxidación de las emisiones biogénicas contribuyen a la nucleación de partículas atmosféricas". Ciencia . 344 (6185): 717– 721. Bibcode : 2014Sci...344..717R. doi : 10.1126/ciencia.1243527. ISSN  0036-8075. PMID  24833386. S2CID  206551402.
  11. ^ Almeida et al. (2013) Comprensión molecular de la nucleación de partículas de ácido sulfúrico-amina en la atmósfera. Nature, 502:359-363. En http://www.readcube.com/articles/10.1038/nature12663
  12. ^ "El experimento CLOUD del CERN arroja nueva luz sobre el cambio climático". 18 de julio de 2024.
  13. ^ Dunne, EM; Gordon, H.; Kurten, A.; Almeida, J.; Duplissy, J.; Williamson, C.; Ortega, IK; Pringle, KJ; Adamov, A.; Baltensperger, U.; Barmet, P.; Benduhn, F.; Bianchi, F.; Breitenlechner, M.; Clarke, A.; Curcio, J.; Dommen, J.; Donahue, Nuevo México; Ehrhart, S.; Flagán, RC; Franchin, A.; Guida, R.; Hakala, J.; Hansel, A.; Heinritzi, M.; Jokinen, T.; Kangasluoma, J.; Kirkby, J.; Kulmala, M.; Kupc, A.; Lawler, MJ; Lehtipalo, K.; Makhmutov, V.; Mann, G.; Matot, S.; Merikanto, J.; Miettinen, P.; Nenes, A.; Onnela, A.; Rap, A.; Reddington, CLS; Riccobono, F.; Richards, NAD; Rissanen, diputado; Rondo, L.; Sarnela, N.; Schobesberger, S.; Sengupta, K.; Simón, M.; Sipila, M.; Smith, JN; Stozkhov, Y.; Tomé, A.; Trostl, J.; Wagner, PE; Wimmer, D.; Winkler, PM; Worsnop, DR; Carslaw, KS (2 de diciembre de 2016). "Formación global de partículas atmosféricas a partir de mediciones de NUBE del CERN" (PDF) . Ciencia . 354 (6316): 1119– 1124. Bibcode : 2016Sci...354.1119D. doi :10.1126/science.aaf2649. ISSN  0036-8075. PMID  27789796. S2CID  9426269.
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