Experimento CLOUD

El experimento CLOUD ( Cosmics Leaving Outdoor Droplets ) ^{[ 1 ]} , llevado a cabo en el CERN por un grupo de investigadores liderado por Jasper Kirkby, investiga la microfísica entre los rayos cósmicos galácticos (RCG) y los aerosoles en condiciones controladas. Se trata de un experimento de objetivo fijo que comenzó a operar en noviembre de 2009, ^{[ 2 ]} aunque fue propuesto originalmente en el año 2000. ^{[ 3 ]}

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

El núcleo del experimento es una cámara de acero inoxidable de 26  m³ ^de volumen, llena de aire sintético compuesto de nitrógeno líquido y oxígeno líquido. La atmósfera y la presión de la cámara se miden y regulan mediante diversos instrumentos. La cámara de aerosoles puede exponerse a un haz de partículas ajustable que simula rayos cósmicos galácticos (RCG) a diferentes altitudes o latitudes. La iluminación UV permite la reacción fotolítica . La cámara contiene una jaula de campo eléctrico para controlar la deriva de iones pequeños y aerosoles cargados. ^{[ 1 ]} La ionización producida por los rayos cósmicos puede eliminarse con un campo eléctrico intenso. Además, la humedad y la temperatura dentro de la cámara pueden regularse, lo que permite una rápida expansión adiabática para nubes artificiales (comparar con la cámara de nubes ) o experimentos sobre microfísica del hielo. Según Kirkby, «el nivel de limpieza y control en un experimento de laboratorio está al 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 ]}

El CERN publicó un informe de progreso de 2009 sobre el proyecto CLOUD. ^{[ 6 ]} J. Kirkby (2009) revisa los avances en el proyecto CLOUD del CERN y las pruebas planificadas. Describe mecanismos de nucleación de nubes que parecen energéticamente favorables y dependen de los rayos cósmicos galácticos (RCG). ^{[ 7 ] [ 8 ]}

El 24 de agosto de 2011, una investigación preliminar publicada en la revista Nature mostró que existía una conexión entre los rayos cósmicos y la nucleación de aerosoles. Kirkby continuó diciendo en el comunicado de prensa definitivo del CERN: "El aumento de iones es particularmente pronunciado en las bajas temperaturas 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 ]}

Los primeros experimentos de CLOUD demostraron que el ácido sulfúrico (derivado del dióxido de azufre, cuya principal fuente son los combustibles fósiles) tiene un efecto mucho menor del que se había supuesto. En 2014, los investigadores de CLOUD presentaron nuevos resultados experimentales 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 podría explicar las variaciones estacionales en las partículas de aerosol atmosférico, que se están relacionando con mayores emisiones globales de los árboles durante 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 el 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 las masas continentales. Los experimentos muestran que el ácido sulfúrico y los vapores orgánicos oxidados en bajas concentraciones reproducen tasas de nucleación de partículas adecuadas. El mecanismo de nucleación utilizado en los modelos globales de aerosoles produce un ciclo estacional de concentraciones de partículas y formación de nubes impulsado fotoquímica y biológicamente, en buena concordancia con las observaciones. Hasta el momento, CLOUD permite explicar una gran fracción de las 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 generales". ^{[ 11 ]} Este resultado no respalda la hipótesis de que los rayos cósmicos afectan significativamente el 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 fisicoquímicos y la cinética de la formación de aerosoles. El proceso de nucleación de gotas de agua/microcristales de hielo a partir de vapor de agua reproducido en el experimento CLOUD y también observado directamente en la atmósfera terrestre no solo implica la formación de iones debido a los rayos cósmicos sino también una serie de reacciones químicas complejas con ácido sulfúrico , amoníaco 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 moduladas por cambios en la actividad solar y la magnetosfera terrestre.

• TED@CERN
• Sitio web del proyecto archivado el 25/07/2014 en Wayback Machine.
• Registro del experimento CLOUD en INSPIRE-HEP