Carbono negro

Químicamente , el carbono negro es un componente de las partículas finas (PM ≤ 2,5 µm de diámetro aerodinámico). El carbono negro se compone de carbono puro en varias formas enlazadas. Se forma a partir de la combustión incompleta de combustibles fósiles , biocombustibles y biomasa y es uno de los principales tipos de partículas tanto en el hollín antropogénico [1] como en el natural [2] . El carbono negro causa morbilidad humana y mortalidad prematura. Debido a estas implicaciones para la salud humana, muchos países están trabajando para reducir sus emisiones [3] .

En climatología , el carbono negro es un contribuyente climático al calentamiento global . El carbono negro calienta la Tierra al absorber la luz solar y calentar la atmósfera, además de reducir el albedo cuando se deposita sobre la nieve y el hielo (efectos directos) e indirectamente cuando interactúa con las nubes, con un efecto total de 1,1 W/m 2 [4] . El carbono negro permanece en la atmósfera solo durante unos pocos días o unas pocas semanas, mientras que otros potentes gases de efecto invernadero tienen ciclos de vida más largos, como el dióxido de carbono (CO 2 ) que tiene una vida atmosférica de más de 100 años [5] . El IPCC y otros investigadores del clima argumentan que reducir el carbono negro es una de las formas más fáciles de frenar el calentamiento global a corto plazo [6] [7] .

El término "carbono negro" también se usa en la ciencia del suelo y la geología , lo que significa carbono negro atmosférico depositado o carbono negro incorporado directamente de incendios de plantas [8] [9] . Especialmente en los trópicos, el carbono negro en los suelos contribuye significativamente a la fertilidad ya que es capaz de absorber importantes nutrientes para las plantas [10] .

Resumen

Faraday reconoció que el hollín está compuesto de carbono y que es producido por la combustión incompleta de combustibles carbonosos [11] . El término "carbono negro" fue acuñado por Tikhomir Novakov, a quien James Hansen llamó "el padrino de la investigación sobre el carbono negro" en la década de 1970 [12] . El humo o el hollín fue el primer contaminante reconocido por tener un impacto ambiental significativo, pero uno de los últimos en ser estudiado por la comunidad de investigación atmosférica moderna.

El hollín está compuesto por una mezcla compleja de compuestos orgánicos que absorben débilmente en la región visible y un componente negro altamente absorbente, denominado de diversas formas "elemental", "grafito" o "carbono negro". El término "carbono elemental" se ha utilizado junto con definiciones químicas térmicas y húmedas, y el término carbón grafítico sugiere la presencia de estructuras microcristalinas similares al grafito en el hollín, como lo confirma la espectroscopia Raman [13] . El término "carbono negro" se utiliza para indicar que este componente del hollín es el principal responsable de la absorción de la luz visible [14] [15] . El término "carbono negro" se utiliza a veces como sinónimo de los componentes elementales y de grafito del hollín [16] . Puede medirse con varios tipos de instrumentos basados ​​en la absorción o dispersión de un haz de luz, o derivados de mediciones de ruido [17] .

Primeros intentos de mitigación

Los efectos catastróficos de la contaminación por carbón en la salud y la mortalidad a principios de la década de 1950 en Londres llevaron a la aprobación de la Ley británica de aire limpio de 1956. La ley resultó en una fuerte caída en las concentraciones de hollín en el Reino Unido, seguida de recortes similares en ciudades estadounidenses como Pittsburgh y St. Louis. Estas reducciones se lograron en gran medida al reducir el uso de carbón blando para la calefacción doméstica mediante el cambio a carbones "sin humo" u otros combustibles como el fuel oil y el gas natural. La disminución constante de la contaminación por humo en las ciudades industriales de Europa y los Estados Unidos ha llevado a un cambio en el enfoque de la investigación que se aleja de las emisiones de hollín y a un desprecio casi total por el carbono negro como un componente importante de los aerosoles, al menos en los Estados Unidos.

Sin embargo, en la década de 1970, una serie de estudios cambiaron significativamente esta imagen y demostraron que el carbono negro, así como los componentes orgánicos del hollín, siguen siendo un componente importante de los aerosoles urbanos en los EE. UU. y Europa [18] [19] , lo que condujo a para un mejor control de estas emisiones. En las regiones menos desarrolladas del mundo, donde el control de las emisiones de hollín era limitado o inexistente, la calidad del aire continuó deteriorándose a medida que crecía la población. No fue sino hasta muchos años después que quedó claro que, en términos de impactos globales, las emisiones de estas regiones son extremadamente importantes.

Impacto en la atmósfera terrestre

La mayoría de los cambios mencionados anteriormente están relacionados con la calidad del aire en las atmósferas urbanas. Los primeros indicios del papel del carbono negro en un contexto global más amplio provinieron del estudio de los fenómenos de neblina ártica. El carbono negro se ha identificado en los aerosoles de neblina del Ártico [20] y en la nieve del Ártico [21] .

En el caso general, las partículas de aerosol pueden afectar el balance de radiación, dando lugar a un efecto de enfriamiento o calentamiento, y la magnitud y el signo del cambio de temperatura dependen en gran medida de las propiedades ópticas del aerosol, la concentración del aerosol y el albedo de la radiación subyacente. superficie. Un aerosol de dispersión pura reflejará la energía normalmente absorbida por el sistema tierra-atmósfera de regreso al espacio y dará como resultado un efecto de enfriamiento. Dado que se agrega un componente absorbente al aerosol, esto puede provocar el calentamiento del sistema tierra-atmósfera si la reflectividad de la superficie subyacente es lo suficientemente alta.

Los primeros estudios sobre el efecto de los aerosoles en el transporte de la radiación atmosférica a escala global asumieron un predominio de la dispersión de aerosoles con un pequeño componente absorbente, ya que esto parece reflejar bien los aerosoles naturales. Sin embargo, como se discutió anteriormente, los aerosoles urbanos tienen un gran componente de carbono negro, y si estas partículas pueden transportarse a escala global, entonces uno esperaría un efecto de calentamiento en las superficies de alto albedo, como la nieve o el hielo. Además, si estas partículas se depositan en la nieve, se produce un efecto de calentamiento adicional debido a la reducción del albedo superficial.

Medición y modelado de la distribución espacial

Los niveles de carbono negro se determinan con mayor frecuencia en función de la modificación de las propiedades ópticas de un filtro de fibra por las partículas depositadas. Se mide la transmitancia del filtro o la reflectancia del filtro o una combinación de transmitancia y reflectancia. Los etalómetros son dispositivos de uso común que detectan ópticamente los cambios en la absorción de la luz que pasa a través de un filtro. El Programa de Verificación de Tecnología Ambiental de la USEPA evaluó tanto el Aetalometer [22] como el analizador termoóptico del Laboratorio Sunset [23] . El fotómetro de absorción poligonal tiene en cuenta tanto la luz transmitida como la reflejada. Los métodos alternativos se basan en mediciones de profundidad óptica satelital en áreas extensas o, más recientemente, en análisis espectrales de ruido para concentraciones muy locales [24] .

A fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, se observaron concentraciones sorprendentemente altas de carbono negro a nivel del suelo en todo el Ártico occidental. Los estudios de modelos han demostrado que pueden conducir al calentamiento del hielo polar. Una de las principales incertidumbres al modelar el efecto de la neblina ártica en el balance de radiación solar fue el conocimiento limitado de las distribuciones verticales del carbono negro.

En 1983 y 1984, el programa NOAA AGASP obtuvo las primeras mediciones de tales distribuciones en la atmósfera del Ártico utilizando un etalómetro que tenía la capacidad de medir el carbono negro en tiempo real [25] . Estas mediciones mostraron concentraciones significativas de carbono negro en toda la troposfera del Ártico occidental, incluido el Polo Norte. Los perfiles verticales mostraron una estructura altamente estratificada o una distribución casi uniforme hasta ocho kilómetros con concentraciones dentro de la capa tan grandes como las que se encuentran a nivel del suelo en áreas urbanas típicas de latitudes medias en los EE . UU. [26] . Las profundidades de absorción óptica asociadas con estos perfiles verticales fueron grandes, como lo demuestra el perfil vertical sobre el Ártico noruego, donde se calcularon profundidades de absorción óptica de 0,023 a 0,052 para mezclas internas y externas de carbono negro con otros componentes de aerosol, respectivamente.

Las profundidades ópticas de estos valores dan como resultado un cambio significativo en el equilibrio de la radiación solar sobre la superficie de nieve ártica altamente reflectante durante el período de marzo a abril cuando estas mediciones simularon el aerosol ártico a una profundidad de absorción óptica de 0,021 (que está cerca al promedio de las mezclas interna y externa para vuelos AGASP) en condiciones despejadas [27] [28] . En ese momento, se consideró que estos efectos térmicos eran potencialmente una de las principales causas de las tendencias de calentamiento del Ártico descritas en los Archivos del Departamento de Energía, Ciencias Básicas de la Energía.

Presencia en suelos

Hasta el 60% de todo el carbono orgánico almacenado en los suelos es carbono negro [29] . Especialmente en los suelos tropicales, el carbono negro sirve como depósito de nutrientes. Los experimentos han demostrado que los suelos sin mucho carbono negro son significativamente menos fértiles que los suelos que contienen carbono negro. Un ejemplo de este aumento de la fertilidad del suelo se encuentra en los suelos Terra preta de la Amazonía central, que parecen haber sido creados por poblaciones indígenas precolombinas humanas. Los suelos de Terra Preta tienen, en promedio, tres veces el contenido de materia orgánica del suelo (COM), niveles más altos de nutrientes y una mejor capacidad de retención de nutrientes que los suelos estériles circundantes [30] . En este contexto, las prácticas agrícolas de tala y quema utilizadas en las regiones tropicales no solo aumentan la productividad al liberar nutrientes de la vegetación quemada, sino que también agregan carbono negro al suelo. Sin embargo, sería mejor para la gestión sostenible utilizar prácticas de huelga y carbonización para evitar altas emisiones de CO 2 y carbono negro volátil. Además, los efectos positivos de este tipo de cultivo se neutralizan si se utilizan en grandes parcelas, de forma que la vegetación no impide la erosión del suelo.

Presencia en las aguas

El carbono negro soluble y coloidal atrapado en el paisaje por los incendios forestales puede ingresar al agua subterránea. A escala mundial, el flujo de carbono negro hacia las masas de agua dulce y salada se acerca a la tasa de producción de carbono negro de los incendios forestales [31] .

Fuentes de emisión

Por región

Los países desarrollados alguna vez fueron la principal fuente de emisiones de carbono negro, pero esto comenzó a cambiar en la década de 1950 con la introducción de tecnologías de control de la contaminación en estos países. Mientras que EE. UU. emite alrededor del 21 % del CO 2 del mundo , emite el 6,1 % del hollín del mundo [32] . La Unión Europea y los Estados Unidos podrían reducir aún más sus emisiones de carbono negro acelerando la implementación de las normas sobre carbono negro actualmente en vigor en 2015 o 2020 [33] y apoyando la adopción de las normas pendientes de la Organización Marítima Internacional (OMI) [34] . Las regulaciones existentes también podrían ampliarse para aumentar el uso de tecnologías limpias de diésel y carbón y el desarrollo de tecnologías de segunda generación.

Hoy en día, la mayoría de las emisiones de carbono negro provienen de los países en desarrollo [3] y se espera que esta tendencia aumente [32] . Las mayores fuentes de carbono negro son Asia, América Latina y África. China e India juntas representan el 25-35% de las emisiones globales de carbono negro. Las emisiones de carbono negro de China se duplicaron entre 2000 y 2006. Las tecnologías existentes y bien probadas utilizadas por los países desarrollados, como el diésel limpio y el carbón limpio, pueden transferirse a los países en desarrollo para reducir sus emisiones [32] .

Las emisiones de carbono negro son más altas en y alrededor de las principales regiones de origen. Esto da como resultado puntos calientes regionales de calentamiento solar atmosférico debido al carbono negro. Los puntos calientes incluyen:

Aproximadamente tres mil millones de personas viven en estos puntos calientes.

Por fuente

Aproximadamente el 20 % del carbono negro se emite por la quema de biocombustibles, el 40 % por la quema de combustibles fósiles y el 40 % por la quema a cielo abierto de biomasa. Estimaciones similares de fuentes de emisiones de carbono negro son las siguientes [35] :

Las fuentes de carbono negro varían según la región. Por ejemplo, la mayoría de las emisiones de hollín en el sur de Asia se deben a la preparación de biocombustibles [37] , mientras que en el este de Asia la combustión de carbón para fines domésticos e industriales juega un papel importante. En Europa occidental, el tráfico por carretera parece ser la fuente más importante, ya que las altas concentraciones coinciden con la proximidad a las principales carreteras o la participación en el tráfico (motorizado) [38] .

Los combustibles fósiles y el hollín de los biocombustibles contienen significativamente más carbono negro que los aerosoles y las partículas que enfrían el clima, lo que hace que la reducción de estas fuentes sea una estrategia de mitigación particularmente poderosa. Por ejemplo, las emisiones de los motores diesel y las embarcaciones marinas contienen niveles más altos de carbono negro que otras fuentes. Por lo tanto, la regulación de las emisiones de hollín de los motores diesel y las embarcaciones marinas representa una oportunidad importante para reducir el impacto del hollín en el calentamiento global [39] .

La quema de biomasa libera más partículas y aerosoles que enfrían el clima que el carbono negro, lo que resulta en un enfriamiento a corto plazo [40] . Sin embargo, a largo plazo, la quema de biomasa puede resultar en un calentamiento neto cuando se consideran las emisiones de CO 2 y la deforestación [41] . Por lo tanto, la reducción de las emisiones de biomasa reducirá el calentamiento global a largo plazo y proporcionará beneficios colaterales de la reducción de la contaminación del aire, las emisiones de CO 2 y la deforestación. Se ha estimado que al cambiar a la agricultura de tala y quema, que convierte la biomasa en cenizas usando fuegos abiertos que emiten carbono negro [42] y gases de efecto invernadero [43] , el 12 % de las emisiones de carbono antropogénicas causadas por el cambio en el uso de la tierra podría reducirse anualmente, lo que supone aproximadamente un 2% de todas las emisiones mundiales anuales en CO 2 equivalente [44] .

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