Aerosoles, cambio climático y el dramático fracaso de la ley de Planck

En 1991, la erupción del monte Pinatubo en Filipinas liberó unos 20 millones de toneladas de dióxido de azufre a la atmósfera superior. El dióxido de azufre reacciona con otras sustancias para producir nanopartículas en el aire llamadas aerosoles de sulfato, que tienden a reflejar la luz solar.

En consecuencia, en los dos años posteriores a la erupción, la temperatura global se redujo en aproximadamente medio grado.

El efecto de los aerosoles en el clima de la Tierra es enormemente importante pero asombrosamente complejo. Además de enfriar la Tierra, algunos aerosoles, como el hollín, tienden a absorber la luz solar y, por lo tanto, a calentar la atmósfera.

Una gran cuestión pendiente en la ciencia del clima es cómo se equilibran estos procesos de absorción y reflexión del calor.

Parte del problema es que nadie entiende cómo las nanopartículas absorben y emiten calor. En teoría, este proceso se rige por la ley de Planck, que describe la cantidad de radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro perfecto a una temperatura determinada.

Pero en la práctica, los objetos reales no emiten calor a la perfección, por lo que los físicos deben aplicar un factor de corrección llamado emisividad espectral. Esto depende de las propiedades de la superficie del objeto: su material y su rugosidad, por ejemplo.

En los últimos años, sin embargo, ha surgido evidencia tentadora que indica que la forma y el volumen de un objeto también pueden desempeñar un papel en este proceso.

Hoy, Christian Wuttke y Arno Rauschenbeutel de la Universidad Tecnológica de Viena en Austria muestran por primera vez cómo y por qué esto es cierto.

Señalan que cuando un objeto es grande en comparación con la longitud de onda de la radiación que emite, dominan los efectos de superficie. Pero cuando un objeto es pequeño en comparación con la longitud de onda, la radiación puede emitirse desde cualquier punto dentro de su volumen. En ese caso, la geometría de la partícula debe jugar un papel.

Para demostrarlo, midieron el calor irradiado por una nanofibra de silicio con un diámetro de 500 nm, que es mucho más pequeño que la longitud de onda de la radiación térmica.

Muestran que esta emisión de calor no puede ser descrita por la ley de Planck, incluso cuando se aplica un factor de corrección.

En cambio, Wuttke y Rauschenbeutel modelan con precisión la salida utilizando otra teoría llamada electrodinámica fluctuante, que tiene en cuenta la geometría del experimento.

De hecho, muestran que la electrodinámica fluctuante puede modelar con precisión las características de absorción y emisión de calor de los nanoobjetos, la primera vez que esto ha sido posible.

Eso tendrá importantes implicaciones para la fabricación de dispositivos emisores de calor, como las lámparas incandescentes, que podrían ser mucho más eficientes energéticamente si su emisión de calor se controlara con más cuidado.

Pero es probable que el mayor impacto esté en la ciencia del clima. Estos resultados también podrían conducir a una mejor comprensión del impacto del material particulado, como los aerosoles de polvo mineral de la erosión del suelo y el hollín de las fuentes de combustión, en el sistema climático a través de la absorción y emisión de radiación solar y térmica, dicen Wuttke y Rauschenbeutel.

Este nuevo enfoque significa que debería ser posible determinar las propiedades térmicas de las nanopartículas individuales a partir de los primeros principios.

Será un proceso largo y complejo, pero debería ser un componente fundamental en los modelos futuros de la forma en que los aerosoles influyen en el clima.

Ref: arxiv.org/abs/1209.0536 : Prueba de la ley de Planck para un objeto más delgado que la longitud de onda térmica

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