Los químicos abordan la formación de aerosoles naturales

Los habitantes de las ciudades han tenido que lidiar durante mucho tiempo con el smog (el smog maloliente que se cierne sobre las áreas urbanas) como resultado de actividades humanas que producen emisiones, como la manufactura, cortar el césped, conducir automóviles e incluso cocinar.

Estas emisiones consisten en gases como dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles (COV), así como partículas más pequeñas conocidas como aerosoles. Cuando miras al horizonte en un día brumoso, la neblina que aparece está formada principalmente por partículas de aerosol que se emiten directamente a la atmósfera (y, por tanto, «aerosoles primarios») y también se forman en la atmósfera («aerosoles secundarios») de la interacción de la luz solar con compuestos en las emisiones, como los COV.

Sin embargo, las actividades humanas no son la única fuente de partículas de aerosol. Los árboles y otra vegetación también liberan COV que producen aerosoles secundarios a través de la química impulsada por la luz solar y en cantidades mucho mayores. Por ejemplo, son los aerosoles, que son los responsables del humo azul de las Grandes Montañas Humeantes. Al igual que sus homólogos artificiales, estos aerosoles naturales afectan la calidad del aire y también tienen efectos significativos sobre el clima.

Un nuevo estudio realizado por investigadores de Caltech revela por primera vez detalles importantes sobre cómo los COV liberados por los árboles se transforman en aerosoles mediante la química atmosférica. Un artículo descriptivo de investigación, que aparece en cienciaFue un esfuerzo de colaboración entre los laboratorios de John Seinfeld, profesor Louis A. Noel de Ingeniería Química; Paul Weinberg, Profesor R. Stanton Avery de Química Atmosférica y Ciencias e Ingeniería Ambientales; y Brian Stoltz, profesor de química Victor y Elizabeth Atkins e investigador del Heritage Medical Research Institute.

«Paradójicamente, la mayoría de los aerosoles en la atmósfera global no provienen directamente de fuentes antropogénicas, y esto es simplemente producto del hecho de que los bosques constituyen una fracción mucho mayor de la superficie de la Tierra que las ciudades», dice Christopher Kenseth. «El autor del artículo y ex estudiante de posgrado en química de Caltech, ahora becario postdoctoral de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) en la Universidad de Washington. Desempeñan un papel importante en el sistema».

Kenseth dice que los aerosoles afectan el clima de dos maneras: primero, bloquean la luz solar entrante, impidiendo que llegue a la superficie de la Tierra (al igual que bloquean la vista de las montañas en un día de niebla en Los Ángeles). En segundo lugar, actúan como semillas para la formación de nubes, que también reflejan la luz solar de regreso al espacio. De hecho, sin partículas de aerosol, habría muchas menos nubes en la atmósfera.

Las plantas y los árboles emiten innumerables compuestos que forman aerosoles secundarios, pero los investigadores de este estudio se centraron específicamente en un par de compuestos llamados alfa-pineno y beta-pineno, que emiten las coníferas y los árboles y les dan su característico olor a pino. Estos pinos son una parte importante de los COV liberados en las zonas boscosas y son en gran medida responsables de la formación de aerosoles resultante.

La importancia de la formación global de aerosoles atmosféricos se conoce desde hace décadas y el «sistema pineno» se estudia desde hace más de 40 años. Durante las últimas dos décadas, varios análisis han demostrado que los dímeros (centros compuestos por dos moléculas pequeñas e idénticas unidas por un enlace químico) son los componentes principales de los aerosoles derivados del pino.

Sin embargo, debido a que la química de oxidación que forma los aerosoles a partir del pineno es tan compleja, hasta ahora los químicos ambientales sólo hacían conjeturas fundamentadas sobre la identidad de estos dímeros y, por extensión, cómo se forman.

En el estudio actual, Kenneth se basó en recursos de los laboratorios de Seinfeld, Weinberg y Stoltz para utilizar una combinación de experimentos de laboratorio y análisis orgánicos para revelar la estructura y el mecanismo de formación de los dímeros identificados en los aerosoles derivados del pino.

«Dada la importancia reconocida de los dímeros pineales, es sorprendente que el mecanismo de su formación haya permanecido oscuro durante tanto tiempo», dice Weinberg. «Es realmente un tributo a la capacidad de sintetizar compuestos y estudiar su comportamiento que permitió esta ciencia».

Kenseth produjo aerosoles derivados de pineno en la Cámara Ambiental de Caltech, una gran bolsa de teflón (24.000 litros) que simula un entorno real pero permite un control estricto sobre condiciones como la temperatura y la humedad. Al recolectar el aerosol en filtros y analizar su composición molecular mediante espectrometría de masas, Kenseth pudo proponer estructuras para los dímeros más grandes identificados en las muestras de aerosol.

Luego, Kenseth colaboró ​​con investigadores del laboratorio Stoltz para sintetizar los compuestos propuestos y luego utilizó nuevamente espectrometría de masas para determinar que las estructuras de los dímeros sintetizados coincidían con las identificadas en el aerosol.

«Eso era algo que nos entusiasmaba», dice Stolz. «Las cosas en las que trabajamos normalmente son muy complejas. Estos compuestos de aerosoles son moléculas muy pequeñas en comparación, pero tienen su propia complejidad».

Después de confirmar definitivamente las estructuras de los dímeros, Kenseth realizó experimentos adicionales en la cámara de Caltech para comprender los mecanismos químicos detallados mediante los cuales se forman. Lo más importante es que los experimentos demostraron que el enlace que une las dos mitades del dímero se forma en las partículas de aerosol, mientras que los productos de oxidación se encuentran en forma de gases.

«Esto resolvió un antiguo enigma en la química de los aerosoles», dice Kenseth. «Sabemos desde hace décadas que estos dímeros son los impulsores clave de la producción de aerosoles, pero sólo midiendo estándares auténticos pudimos determinar con precisión su composición y luego diseñar experimentos que modelaran su formación. Descartar el mecanismo».

Este descubrimiento es importante para químicos ambientales como Seinfeld y Weinberg porque llena un vacío importante en la comprensión del campo sobre la composición y la composición de los aerosoles atmosféricos, conocimiento que es esencial para evaluar con precisión sus efectos ambientales y de salud.

«Saber cómo se forman nos permite comprender que otros compuestos también pueden producir este tipo de aerosoles. Sin un mecanismo, tendríamos que buscar la lista completa de COV, lo que sería básicamente imposible», dice Weinberg.

Seinfeld añade: «Aclarar los detalles a nivel molecular de la química de la formación de aerosoles es sin duda una de las áreas de investigación más desafiantes en la química atmosférica». Este estudio tiene un estatus histórico no sólo en cuanto al método utilizado, sino también porque representa un caso raro en el mismo. Un campo donde ahora se comprenden bien todos los aspectos de una importante reacción química compleja.

Los coautores son Nicholas Heffeman, Ph.D., anteriormente de Caltech y ahora de AbbVie Inc. Samir Razgui, estudiante de posgrado en química de Caltech; Universidad Jing Chen de Copenhague; Yuanlong Huang, Ph.D., del Instituto Oriental de Estudios Avanzados; Nathan Delska, director del Laboratorio de Agua y Medio Ambiente de Resnick en Caltech; Henrik Kjaergaard de la Universidad de Copenhague; Además de Seinfeld, Weinberg y Stolz.