Avanzando en las nubes

Cuando el anochecer se posa sobre Cambridge en una noche de pleno invierno, Dan Cziczo se detiene un momento para contemplar una vista espectacular. Es la puesta de sol y, justo por encima del horizonte, franjas rojas y naranjas se transforman en franjas más profundas de púrpura y azul a medida que las nubes de todo tipo se extienden por el cielo cada vez más oscuro. Los cúmulos en forma de bolas de algodón se mezclan con una capa de estrato cubierto, y delgados hilos de cirros como plumas se arrastran por encima. Para cualquiera que se tome un descanso del trabajo para mirar hacia el oeste a lo largo del río Charles, la vista es asombrosa.

Para Cziczo, un científico atmosférico de 42 años del MIT, la vista, en cierto modo, es su trabajo. Cziczo estudia la formación de nubes y ve las nubes, en particular los cirros, como una clave para responder una pregunta crucial: ¿exactamente cuánto se calentará la Tierra en el futuro cercano?

La mejor respuesta que los científicos han encontrado hasta ahora es aún incierta: entre 1 y 5 ° C, dependiendo de la cantidad de gases de efecto invernadero que los humanos agreguen a la atmósfera. En algunas partes del mundo, tales aumentos podrían significar un aumento de los mares, tormentas más fuertes e incendios e inundaciones dañinos. Con cada grado de calentamiento, los científicos predicen hasta un 15 por ciento de reducción en el rendimiento de los cultivos, un 15 por ciento de disminución en el área cubierta por el hielo marino del Ártico, un 10 por ciento de aumento en las precipitaciones durante las tormentas más fuertes y un aumento del 400 por ciento en las áreas quemadas por incendios forestales en el el oeste de Estados Unidos. Eso significa que la diferencia entre uno y cinco grados de calentamiento es bastante significativa.

En 2007, en un informe publicado por el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático, ganador del Premio Nobel, científicos de todo el mundo concluyeron que gran parte de la incertidumbre en las proyecciones climáticas tiene que ver con las nubes. Los científicos señalaron que, si bien las nubes pueden bloquear la entrada de la radiación solar a la atmósfera, las condiciones en las que se forman y el grado en el que realmente enfrían el planeta al reflejar esa radiación son muy poco conocidas. Para complicar aún más las cosas, una Tierra más cálida contiene más humedad, lo que podría aumentar el volumen total de nubes.

Para reducir la incertidumbre en las proyecciones climáticas, Cziczo y su grupo de investigación en el MIT están estudiando temas como aerosoles o partículas en el aire, que actúan como semillas que ayudan a que se formen las nubes. A medida que las partículas como el polvo flotan en la atmósfera, proporcionan una superficie en la que el vapor de agua puede condensarse o congelarse, formando una fina niebla que desde la distancia puede parecer hinchada, en capas o tenue, según la temperatura y la humedad relativa de la región.

Diferentes partículas y nubes actúan de manera diferente, y comprender este equilibrio es realmente la forma en que vamos a aumentar la certeza [de las proyecciones climáticas], dice Cziczo. Definirlo para decir: '¿Estamos obteniendo un grado o tres grados de calentamiento?' Ese es el tipo de cosas que estamos tratando de resolver.

Viendo a través de cirros
Esta noche, Cziczo está captando la exhibición de nubes desde una posición envidiable: el techo del edificio Cecil and Ida Green de 21 pisos del MIT, el edificio más alto de Cambridge.

El techo ha sido durante mucho tiempo un sitio ideal para el estudio atmosférico, ya que alberga instrumentos que miden la velocidad del viento, la humedad relativa y la temperatura. En ocasiones, Cziczo, profesor asociado en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias, traerá a sus estudiantes aquí para tomar lecturas de instrumentos, utilizando los datos para determinar si se formarán las nubes y dónde.

Esta vez, sin embargo, solo está aquí para ver la vista.

Si miras a través de la puesta de sol, puedes ver las nubes más altas, del tipo de las tenues, dice Cziczo mientras señala los cirros en la distancia. Hacen estos filamentos geniales ... su nombre griego tiene que ver con crin o colas de yegua, y esos son los que hemos estado estudiando últimamente, por su importancia en el clima.

Las nubes cirros se forman de cuatro a 12 kilómetros sobre la superficie de la Tierra en la parte superior de la troposfera, la capa más baja de la atmósfera. A tales altitudes, el vapor de agua puede congelarse alrededor de las partículas, formando cristales de hielo. Las nubes de hielo resultantes, como también se conocen las nubes cirros, suelen ser la primera capa de nubes con la que se encuentra la luz solar cuando llega a la superficie. Los cristales de hielo actúan como pequeños reflectores que dispersan la luz solar. Se cree que las nubes en general pueden reflejar suficiente luz solar hacia el espacio para compensar entre la mitad y las tres cuartas partes del calentamiento causado por gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono. Sin embargo, el impacto neto de las nubes cirros no está claro: si bien protegen al planeta de la luz solar entrante, también atrapan la radiación que intenta escapar de su superficie.

Para saber exactamente qué papel juegan las nubes cirros, dice Cziczo, es importante entender cómo se forman, específicamente, qué partículas o aerosoles las están sembrando de forma natural.

Cuando se pone el sol, se dirige a su laboratorio en el piso 13, donde dos tubos de vidrio, parcialmente encerrados en una carcasa de metal, están formando nubes. La instalación, que él ayudó a construir, se llama cámara de niebla. Al ajustar la temperatura y la humedad relativa en la cámara, los investigadores pueden crear las condiciones perfectas para la formación de gotas de nubes o cristales de hielo. El único ingrediente que falta es una semilla ideal en la que se pueden formar nubes.

Tamizar semillas
Cziczo ha estado probando varios aerosoles para ver cuál forma más fácilmente nubes en la cámara. Al introducir estos diferentes aerosoles en la cámara mientras imita las condiciones climáticas en ciertas partes del mundo, espera determinar qué partículas están causando la formación de nubes en esas regiones. Para demostrarlo, saca un pequeño frasco de polvo gris, polvo mineral recolectado en Wisconsin.

Hagamos una tormenta de polvo, dice, y agite el frasco abierto frente a dos boquillas, que toman aire en cada tubo de vidrio. Los tubos son demasiado pequeños para generar nubes visibles, por lo que Cziczo utiliza un sistema de láseres para medir si el vapor de agua se ha fusionado en gotas lo suficientemente grandes como para ser consideradas partículas de nubes.

A continuación, Cziczo seca las gotas de la nube enviándolas a través de un pequeño compartimento lleno de desecantes similares a los que se encuentran en los paquetes que se encuentran en las cajas de zapatos. Él y sus colegas pueden analizarlos para determinar la composición exacta de la semilla de la nube.

La cámara de niebla es lo suficientemente pequeña como para empacarla y llevarla a cualquier parte del mundo para tomar muestras directamente de la atmósfera de una región, lo que, según Cziczo, es una gran ventaja. Los científicos pueden encontrar que, si bien un determinado aerosol es excelente para sembrar nubes en el laboratorio, ese aerosol no se encuentra en la altitud donde podría formar nubes en la naturaleza. En general, se asume que el material biológico es una sustancia fantástica para formar nubes de hielo, dice, y señala que algunos tipos de polen generan nubes notablemente bien en su cámara. Pero cuando vas al campo, te das cuenta de que simplemente no está presente en la troposfera superior en grandes cantidades, por lo que no puede tener un gran efecto en las nubes. Si acaba de probar en el suelo, puede engañarse pensando que es importante. Así que se ha propuesto incluir tanto los estudios de campo como el trabajo de laboratorio en la investigación de su grupo.

Sentado en nubes de hielo
Durante los últimos 15 años, Cziczo ha visitado las cimas de las montañas en busca de los tipos de aerosoles que probablemente se encuentren en la troposfera superior. Como postdoctorado en la Universidad de Colorado y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, hizo viajes al Laboratorio Storm Peak, en el centro norte de Colorado, donde tomó muestras de nubes a gran altitud con una versión temprana de la cámara de nubes. Esa experiencia lo preparó para un puesto de investigación y docencia en el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich, y luego para un punto culminante literal en su carrera: un período de muestreo de nubes en el Observatorio Sphinx, una estación de investigación remota construida a lo largo de la columna vertebral del Alpes de Berna. Llamado así por su arquitectura similar a una esfinge, es uno de los observatorios terrestres más altos del mundo a más de 11,000 pies sobre el nivel del mar. A esta altitud, las nubes de fase mixta, que son similares a los cirros, pueden cubrir los picos.

El sitio, que ha sido llamado la cima de Europa, es una atracción turística durante el día, cuando la gente viaja en tren, con energía eléctrica para no manchar las mediciones de los científicos con los gases de escape. Por la noche, sin embargo, los turistas despegan y los investigadores se acuestan.

La primera noche, nadie duerme, recuerda Cziczo. Le da un fuerte dolor de cabeza y puede sentir los latidos de su corazón. Lleva un par de días aclimatarse, pero después de eso, es increíble ... a veces, estás sentado en nubes de hielo.

Después de su estadía en Suiza, Cziczo continuó su trabajo en los Estados Unidos en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. En 2011, se mudó al este para unirse a la facultad del MIT.

En marzo de 2011, él y sus estudiantes llevaron la cámara de niebla al Centro de Vuelo Espacial Johnson en Houston, donde la montaron en la nariz de un viejo bombardero B-57. El avión, que voló en la década de 1950 durante misiones de reconocimiento, se ha reutilizado desde entonces como avión de investigación y ahora se utiliza para proyectos como una campaña de campo de la NASA llamada Experimento de propiedades de cirros aerotransportados de latitud media (MACPEX). El avión vuela tan alto como 63,000 pies, lo que lo hace perfecto para tomar muestras de nubes cirros, aunque puede ser complicado predecir cuándo aparecerán.

En un período de seis semanas, el equipo recolectó muestras de nubes sobre el Golfo de México y el desierto del suroeste. El análisis de su composición mostró que el polvo mineral, como la arena levantada por una tormenta del desierto, representaba alrededor del 60 por ciento de los aerosoles en esas nubes. Los investigadores también encontraron que entre el 8 y el 25 por ciento de las partículas de polvo que forman nubes contenían plomo. Lo que no encontraron fue quizás más sorprendente: material biológico como polen y esporas, o carbono emitido por las chimeneas. Si bien los investigadores han visto que el carbono y el polen forman nubes fácilmente en el laboratorio, este tipo de aerosol representó menos del 1 por ciento de las partículas de nubes cirrus en los hallazgos de Cziczo.

Los investigadores esperan que tales experimentos ayuden a precisar exactamente qué aerosoles forman las nubes cirros y, lo que es más importante, si esos aerosoles son liberados por la actividad humana. Por ejemplo, Cziczo dice que si bien el polvo mineral es una sustancia natural, compuesta principalmente de tierra y arena que se desprenden de la superficie de la Tierra, los humanos han cambiado significativamente la cantidad en la atmósfera.

Cuando cambia los usos de la tierra, cuando se deshace de los bosques para crear tierras de cultivo, o cultiva bajo los cultivos ... está perturbando el polvo mineral, dice. Así que es una partícula natural, pero hay más debido a actividades creadas por el hombre. Y parece que es una de estas cosas que está formando nubes de hielo. El polvo de la nube que contiene plomo que encontró el equipo probablemente también provino de la actividad humana: fuentes como tubos de escape de aviones, plantas de energía que queman carbón y gasolina con plomo que no se eliminó en todo el mundo hasta mediados de la década de 1990. Aunque ciertamente no aboga por una mayor contaminación, Cziczo reconoce que el calentamiento global sería mucho peor si no fuera por la adición humana de partículas a la atmósfera.

En el pasado, los grupos de evaluación climática realmente no se han ocupado de si la actividad antropogénica podría estar afectando a las nubes de hielo, a pesar de que se sabe que son importantes en el clima, dice Jon Abbatt, profesor de química atmosférica en la Universidad de Toronto. Eso es lo que tiene de especial el trabajo de Dan. Tiene la capacidad para evaluar si hay firmas antropogénicas en las nubes de hielo. Ese es el punto de partida para intentar hacer una evaluación de la formación de hielo en relación con el cambio climático.

Midiendo juntos
Cziczo y una creciente comunidad de científicos atmosféricos esperan que la identificación de los conceptos básicos de la formación de nubes elimine cualquier incertidumbre restante sobre el calentamiento global. Además de su trabajo experimental, están desarrollando modelos climáticos que incorporan la formación de nubes. Los datos que recopilen ayudarán a que dichos modelos sean mucho más precisos, aunque existen desafíos importantes que superar: la mayoría de los modelos simulan el clima dividiendo el mundo en una cuadrícula, promediando los datos meteorológicos en cuadrados que son, con la resolución más fina, 100 kilómetros cuadrados. La incorporación de datos de la nube al nivel de aerosoles finos requeriría una enorme potencia computacional.

Chien Wang, científico investigador principal del Centro para la Ciencia del Cambio Global del MIT, está trabajando con Cziczo para encontrar formas de ajustar estos datos de partículas finas en modelos climáticos a gran escala. El trabajo de laboratorio y de campo de Dan obviamente puede ayudarnos a mejorar nuestro modelo para simular mejor el vínculo entre los aerosoles y las nubes de hielo, y sus efectos climáticos, dice Wang. Estoy muy contento de que podamos tenerlo en casa.

El trabajo de Cziczo también puede ayudar a superar otro obstáculo importante en el campo. Los investigadores de grupos dispares tienden a construir sus propias cámaras de nubes, y las medidas de una pueden no ser comparables a las de otra. El instrumento que Cziczo ayudó a diseñar fue licenciado recientemente por una empresa en Colorado, que lo está fabricando como la primera cámara comercial de nubes de hielo. El modelo número 001 tiene un lugar de honor en su mesa de laboratorio del MIT, y otros investigadores han realizado pedidos de más unidades.

De vuelta en su oficina del MIT, Cziczo mira por la ventana, una vista amplia que abarca el horizonte de Boston y algunas nubes perdidas arriba. De vez en cuando toma fotografías de formaciones de nubes o estelas interesantes de aviones que pasan, y les pide a sus alumnos que identifiquen el tipo de nube y dónde podría haberse formado. Es un ejercicio que nace tanto del asombro como de la curiosidad científica.

Cuando era niño, siempre me fascinaron las nubes, volar y cosas así, recuerda. Creo que ahora disfruto más de eso, porque entiendo algo de eso, y todavía trato de mirar hacia afuera y resolver las cosas.

Además de estudiar las nubes en la atmósfera de la Tierra, Dan Cziczo está investigando las que pueden formarse en Marte. Aunque la atmósfera marciana es demasiado delgada para albergar vida, imágenes recientes del Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA han mostrado nieve de dióxido de carbono precipitada de las nubes.

Para averiguar qué podrían estar formando esas nubes, que a Cziczo le parecieron polvo de diamante, él y sus estudiantes están formando nubes en el laboratorio en condiciones similares a las de Marte. Recientemente hicieron un viaje a la cámara de niebla más grande del mundo, la instalación de Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere (AIDA) en Karlsruhe, Alemania, un antiguo reactor nuclear reutilizado cuyo núcleo ha sido reemplazado por una cámara de tres pisos de altura. . Científicos de todo el mundo utilizan la cámara masiva para observar efectos a gran escala que no podrían ver en modelos de sobremesa.

El equipo de Cziczo se puso en contacto con la NASA en busca de muestras de polvo que se cree que tienen una composición similar al polvo de Marte (en realidad se recogió de los desiertos de EE. UU.) Y las colocó en la cámara de niebla, ajustando su temperatura y humedad relativa a los niveles que se han observado en Marte. El experimento formó con éxito una nube de agua helada.

Cziczo espera continuar con esta nueva rama extraterrestre de su investigación, que dice que se inspiró en parte en las imágenes atmosféricas tomadas por el Mars Reconnaissance Orbiter y la NASA. Fénix módulo de aterrizaje.

Puedes ver cristales de hielo cayendo de la atmósfera, dice. Y es gracioso, porque la primera vez que vi esas imágenes, parecían nubes en la atmósfera de la Tierra.

– J.C.

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