Las observaciones del humo de los incendios forestales llenan el vacío en la estimación del papel del hollín en el cambio climático

Una nueva investigación que refina la cantidad de luz solar absorbida por el carbono negro en el humo de los incendios forestales ayudará a aclarar un punto débil de mucho tiempo en los modelos del sistema terrestre, lo que permitirá un pronóstico más preciso del cambio climático global.

«El carbón negro u hollín es el siguiente agente de calentamiento climático más potente después del CO₂ y metano, a pesar de una vida corta de semanas, pero su impacto en los modelos climáticos aún es muy incierto», dijo James Lee, investigador del clima en el Laboratorio Nacional de Los Álamos y autor correspondiente del nuevo estudio en Cartas de investigación geofísica sobre la absorción de la luz por el humo de los incendios forestales. «Nuestra investigación aclarará esa incertidumbre».

La investigación de Los Álamos resuelve una larga desconexión entre las observaciones de la cantidad de luz absorbida por el carbono negro en el humo y la cantidad predicha por los modelos, dada la forma en que el carbono negro se mezcla con otros materiales, como los aerosoles orgánicos condensados ​​que están presentes en las columnas. .

El equipo utilizó el laboratorio de instrumentos múltiples Centro de Experimentos Forenses de Aerosol y Gas (CAFÉ) en Los Alamos para tomar muestras de humo de varios incendios forestales durante dos veranos en el oeste de los Estados Unidos, incluido el cercano Medio Fire en Nuevo México en 2020 y penachos envejecidos de California y Arizona.

El equipo de CAFÉ ahora está colaborando con colegas del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico para incorporar sus parametrizaciones validadas en el Modelo de sistema terrestre de exaescala de energía del Departamento de Energía, o E3SM. Esto evaluará mejor el forzamiento y la retroalimentación del clima de los incendios forestales.

El carbono negro emitido por los vehículos, las centrales eléctricas, la calefacción residencial y los incendios forestales es un potente absorbente de la radiación solar, que convierte la luz entrante en calor atmosférico.

«Los incendios forestales emiten hollín y partículas orgánicas que, respectivamente, absorben y dispersan la luz solar para calentar o enfriar la atmósfera con un efecto neto variable, según la composición de la mezcla de humo», dijo Manvendra Dubey, directora de CAFÉ e investigadora principal del proyecto en Los Álamos. «Esta mezcla evoluciona con el tiempo a medida que el humo de los grandes megaincendios se dispersa globalmente. Descubrimos una relación sistemática entre el aumento en la eficiencia de absorción de luz del hollín con la edad debido al crecimiento de los recubrimientos orgánicos».

El descubrimiento captura con precisión los tamaños complejos y la estructura del hollín que actualmente se aproximan en los modelos, dijo Dubey.

“Estamos presionando para incorporarlo en los modelos climáticos para proporcionar estimaciones sólidas del calentamiento por el hollín de los incendios forestales, particularmente en el Ártico, que se está calentando cuatro veces más rápido que el mundo”, dijo Dubey.

«Si bien generalmente se cree que el carbono negro causa el calentamiento», dijo Lee, «su impacto climático no se conoce bien debido a cómo coexiste con otros tipos de partículas en la atmósfera».

Esa incertidumbre se deriva en parte de la falta de comprensión de cómo evolucionan las propiedades de absorción y reflexión de la luz del carbono negro a medida que envejece y se somete a una química complicada en las condiciones atmosféricas que cambian rápidamente a medida que se dispersa el humo de los incendios forestales. El penacho puede permanecer durante meses en la atmósfera superior.

Durante esa evolución, se forman aerosoles orgánicos y se condensan alrededor de partículas de carbón negro. Algunos de estos aerosoles enfocan la luz sobre el carbón negro, lo que aumenta su absorción, pero la cantidad de luz que se absorbe depende del tamaño de los aerosoles y de cómo cubren el hollín.

Los modelos climáticos actualmente idealizan este estado de mezcla de humo, dijo Dubey. Debido a que los modelos no tienen en cuenta la variación en los recubrimientos orgánicos según el tamaño de cada partícula, los modelos sobreestiman la cantidad de radiación que absorbe el carbono negro. Eso genera grandes incertidumbres y sesgos en los efectos climáticos de los incendios forestales.

El modelado de partículas individuales produce mejores resultados, pero es demasiado costoso desde el punto de vista computacional para integrarlo en modelos del sistema terrestre como E3SM. Es por eso que los investigadores de Los Alamos buscaron crear parámetros para el carbono negro que pudieran incorporarse en los modelos del sistema terrestre sin incurrir en el costo computacional prohibitivamente grande de modelar una gran cantidad de partículas.

El equipo de Los Álamos analizó 60 millones de partículas de humo recolectadas de la torre de muestreo de 10 metros de altura de CAFÉ. Este método de observación les permitió dar cuenta de las variaciones en la cantidad de recubrimiento orgánico en cada partícula, la pieza que faltaba en los modelos anteriores. Con los datos empíricos recopilados por CAFÉ, el equipo utilizó modelos de absorción existentes para determinar cuánta energía luminosa absorbió cada partícula y luego inferir la absorción total de carbono negro de las columnas. Sus resultados coincidieron con las mediciones independientes de las propiedades del humo realizadas en paralelo, mientras que el modelo basado en las partículas de carbono negro idealizadas no ha podido coincidir con las observaciones. Los resultados de Los Álamos se pueden ampliar para representar penachos atmosféricos en modelos climáticos globales.

El equipo descubrió que podía predecir la amplificación de la absorción de carbono negro a partir de la relación entre el material de recubrimiento y el volumen de carbono negro en la pluma. Esa relación simple se puede incorporar en modelos complejos de sistemas terrestres para determinar el impacto climático del carbono negro.