La amplificación de la luz acelera las reacciones químicas en los aerosoles
Secuencia temporal de la reacción fotoquímica en partículas individuales de aerosol observada con alta resolución
Los aerosoles de la atmósfera reaccionan a la luz solar incidente. Esta luz se amplifica en el interior de las gotas y partículas de aerosol, acelerando las reacciones. Los investigadores de la ETH han podido demostrar y cuantificar este efecto y recomiendan incluirlo en los futuros modelos climáticos.
El polvo sahariano que coloreó los cielos a mediados de marzo estaba formado por aerosoles minerales. Pero incluso fuera de estos eventos extremos, hay aerosoles compuestos por minerales y compuestos orgánicos en el aire.
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Las gotas de líquido y las partículas muy finas pueden atrapar la luz, de forma similar a como la luz puede quedar atrapada entre dos espejos. Como resultado, la intensidad de la luz en su interior se amplifica. Esto también ocurre en las gotas de agua muy finas y en las partículas sólidas de nuestra atmósfera, es decir, los aerosoles. Utilizando un moderno microscopio de rayos X, los químicos de la ETH de Zúrich y del Instituto Paul Scherrer (PSI) han investigado ahora cómo afecta la amplificación de la luz a los procesos fotoquímicos que tienen lugar en los aerosoles. Han podido demostrar que la amplificación de la luz hace que estos procesos químicos sean de media entre dos y tres veces más rápidos de lo que serían sin este efecto.
Utilizando la Fuente de Luz Suiza del PSI, los investigadores estudiaron aerosoles compuestos por diminutas partículas de citrato de hierro (III). La exposición a la luz reduce este compuesto a citrato de hierro (II). La microscopía de rayos X permite distinguir las zonas de las partículas de aerosol compuestas por citrato de hierro (III) de las compuestas por citrato de hierro (II) con una precisión de 25 nanómetros. De este modo, los científicos pudieron observar y cartografiar en alta resolución la secuencia temporal de esta reacción fotoquímica en partículas individuales de aerosol.
Descomposición tras la exposición a la luz
"Para nosotros, el citrato de hierro (III) era un compuesto representativo que resultaba fácil de estudiar con nuestro método", afirma Pablo Corral Arroyo, postdoc del grupo dirigido por la profesora de la ETH Ruth Signorell y autor principal del estudio. El citrato de hierro (III) representa toda una serie de compuestos químicos que pueden aparecer en los aerosoles de la atmósfera. Muchos compuestos orgánicos e inorgánicos son sensibles a la luz y, cuando se exponen a ella, pueden descomponerse en moléculas más pequeñas, que pueden ser gaseosas y, por tanto, escapar. "Las partículas de aerosol pierden masa de esta manera, cambiando sus propiedades", explica Signorell. Entre otras cosas, dispersan la luz solar de forma diferente, lo que afecta a los fenómenos meteorológicos y climáticos. Además, cambian sus características como núcleos de condensación en la formación de nubes.
Por ello, los resultados también repercuten en la investigación sobre el clima. "Los modelos informáticos actuales de la química atmosférica global aún no tienen en cuenta este efecto de amplificación de la luz", afirma el profesor de la ETH Signorell. Los investigadores sugieren que en el futuro se incorpore el efecto a estos modelos.
Tiempos de reacción no uniformes en las partículas
La amplificación de la luz en las partículas, que ya ha sido identificada y cuantificada con precisión, se produce por efectos de resonancia. La intensidad de la luz es mayor en el lado de la partícula opuesto a aquel sobre el que incide la luz. "En este punto caliente, las reacciones fotoquímicas son hasta diez veces más rápidas de lo que serían sin el efecto de resonancia", dice Corral Arroyo. Si se promedia en toda la partícula, se obtiene una aceleración por el mencionado factor de dos a tres. Las reacciones fotoquímicas en la atmósfera suelen durar varias horas o incluso días.
Con los datos de su experimento, los investigadores pudieron crear un modelo informático para estimar el efecto en una serie de otras reacciones fotoquímicas de los aerosoles típicos en la atmósfera. Resultó que el efecto no afecta sólo a las partículas de citrato de hierro (III), sino a todos los aerosoles -partículas o gotas- hechos de compuestos que pueden reaccionar con la luz. Además, estas reacciones son de media entre dos y tres veces más rápidas.
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