La atmósfera de la Tierra ha fortalecido su capacidad para eliminar contaminantes del aire, incluido el metano, un potente gas que calienta el clima, según una investigación publicada en Nature Communications .
Por Keith Lyons, Instituto Nacional de Investigación Atmosférica y del Agua (NIWA)
Considerado un gran avance para la ciencia del clima y la comprensión de la química atmosférica, el estudio de la capacidad de autolimpieza de la atmósfera se centró en determinar la cantidad de su esquivo conductor, el radical hidroxilo (OH), apodado el «detergente de la atmósfera» por el premio Nobel Paul Crutzen.
Al aplicar un método avanzado para analizar dos mediciones de larga data de muestras de aire de Nueva Zelanda y la Antártida que datan de fines de la década de 1980, la investigación del Instituto Nacional de Investigación del Agua y la Atmósfera de Nueva Zelanda (NIWA) reveló una tendencia significativa en la capacidad de autolimpieza de la atmósfera.
La investigación destaca que sin la mayor capacidad de limpieza del hidroxilo, el metano habría contribuido aún más al calentamiento global.
El estudio a largo plazo realizado por los científicos del NIWA junto con investigadores de la Universidad Victoria de Wellington, GNS Science y un colaborador de Finlandia, revela que la capacidad de autolimpieza de la atmósfera se ha ido fortaleciendo en el hemisferio sur desde aproximadamente 1997.
La investigación científica, que duró 33 años, se concentró en el oxidante más fuerte de la atmósfera, el OH, e identificó al monóxido de radiocarbono ( 14 CO) como un trazador confiable. La forma ultra rara de monóxido de carbono se produce cuando los rayos cósmicos impactan la atmósfera de la Tierra, y se conoce bien su tasa de producción, junto con su eliminación por el OH.
El OH es altamente reactivo y tiene una vida muy corta, dice la científica atmosférica del NIWA, Sylvia Nichol. «El OH es un minúsculo depurador químico. Está formado por un átomo de hidrógeno y uno de oxígeno, con un electrón libre desapareado, y se forma en la atmósfera cuando la luz ultravioleta del sol choca con el ozono en presencia de vapor de agua.
«Reacciona con gases traza nocivos, como el monóxido de carbono y el metano, en la capa más baja de la atmósfera, la troposfera, que se extiende hasta una altura media de 11 kilómetros (36.000 pies) desde la superficie de la Tierra.
«En la década de 1970, se descubrió que el OH se produce en la troposfera mediante reacciones que permiten la oxidación de gases como el monóxido de carbono, el metano y el etano. Aunque la vida útil del OH puede ser inferior a un segundo, desempeña un papel vital en la limpieza de la atmósfera».
Dado que el hidroxilo altamente reactivo controla la vida atmosférica de la mayoría de los gases, la presencia de OH es fundamental para controlar las concentraciones de algunos gases de efecto invernadero, en particular el metano, afirma Nichol. «Aunque los radicales hidroxilo aparecen en cantidades minúsculas durante un breve período, eliminan el monóxido de carbono y casi el 90% del metano del aire, por lo que son vitales para mantener la calidad del aire».
La naturaleza dinámica del OH, junto con sus concentraciones muy bajas, significa que es notoriamente difícil de observar y cuantificar con precisión de manera directa, dice el técnico principal de NIWA, Gordon Brailsford, quien ha pasado décadas recolectando muestras de aire.
«La luz ultravioleta influye en la producción de hidroxilo, por lo que los niveles de este limpiador atmosférico presentan fluctuaciones muy grandes a diario y anualmente. El OH solo se forma durante las horas del día, lo que significa que desciende a casi cero durante la noche, y es más frecuente en verano».
Los intentos anteriores de monitorear las tendencias de OH han utilizado metilcloroformo, pero este producto se ha eliminado gradualmente según el Protocolo de Montreal de 1987 para proteger la capa de ozono, lo que hace que su uso sea poco práctico, dice Brailsford.
«Los métodos y modelos tradicionales que predecían la abundancia de hidroxilo basados en el metilcloroformo y otros gases industriales similares también produjeron estimaciones inferidas contradictorias de los cambios en los niveles de hidroxilo y su capacidad para limpiar la atmósfera. Por eso, en su lugar, utilizamos monóxido de carbono radioactivo producido naturalmente ( 14 CO), un trazador cuya producción por rayos cósmicos entendemos mucho mejor, lo que nos permitió calcular una tendencia en su tasa de eliminación por OH durante un largo período de tiempo».
Los registros de dos estaciones de monitoreo remotas del hemisferio sur que datan de fines de la década de 1980 han proporcionado datos de calidad para el análisis, dice Brailsford. «Las mediciones regulares y consistentes que abarcan 33 años en dos sitios proporcionan la primera evidencia de un aumento de OH a largo plazo.
«La Estación de Investigación Atmosférica Baring Head, situada en las afueras de la ventosa capital de Nueva Zelanda, Wellington, es reconocida internacionalmente por su monitoreo a largo plazo del aire limpio.
«Unos 4.000 kilómetros más al sur, el laboratorio conjunto neozelandés-estadounidense Arrival Heights en la isla Ross de la Antártida está lejos de la contaminación humana, y se recogen muestras de aire incluso durante los cinco meses de oscuridad que hay cada año. Ambas series de mediciones son, con diferencia, los registros más largos y más consistentes del mundo de 14CO como indicador de cambios en la química atmosférica».
El procesamiento de las muestras requiere muchos pasos, dice la técnica principal Rowena Moss, que ha dedicado más de 10.000 horas al proyecto. «Se recogieron muestras grandes de aire de hasta 1.000 litros en cilindros de gas, luego se secaron, se comprimieron, se enfriaron para eliminar el CO2 ambiental y se concentraron hasta una cantidad microscópica de monóxido de carbono y sus isótopos.
«Estos procedimientos se llevan a cabo para que las muestras puedan enviarse para la medición de 14 CO mediante espectrometría de masas con acelerador en el laboratorio de datación por radiocarbono de GNS Science. El control de calidad es esencial en todos estos pasos para determinar la concentración de 14 CO en la muestra de aire original «.
«Las muestras de las dos estaciones de observación diferentes han demostrado ser reveladoras sobre el papel del OH», dice el autor principal del artículo de la revista, el científico atmosférico y climático Dr. Olaf Morgenstern, cuyo trabajo ha ampliado un modelo «química-clima» desarrollado anteriormente.
«Los datos de Nueva Zelanda desde 1997 muestran una disminución anual del 12% (± 2%) en el CO2 . Las mediciones de la Antártida muestran una caída aún mayor, del 43% (± 24%), pero sólo durante el período de diciembre a enero, el apogeo del verano en el hemisferio sur.
«Los resultados de esta investigación sugieren que la capacidad oxidante de la atmósfera, impulsada por el hidroxilo, se ha ido fortaleciendo en las últimas décadas. Los hallazgos confirman y respaldan nuestros modelos y corroboran los de todo el mundo que sugieren que el OH ha ido aumentando a nivel global».
Los investigadores examinaron qué procesos y compuestos atmosféricos provocan cambios en los niveles de OH, identificando tres impulsores principales del aumento de hidroxilo y un impulsor que frena el aumento de OH. «Las tendencias de aumento de hidroxilo son impulsadas por óxidos de nitrógeno producidos principalmente por vehículos de motor, combustión industrial, rayos e incendios forestales.
«El hidroxilo también se ve afectado por la disminución del ozono estratosférico y el vapor de agua, que está aumentando debido al calentamiento global, mientras que el OH tiene una compensación significativa debido al metano, que también aumenta rápidamente, lo que actúa para disminuir el hidroxilo. Conocer estos cuatro factores nos dice lo que puede deparar el futuro al OH, en particular que el aumento bien podría convertirse en una disminución debido a los cambios en nuestras actividades».
La tendencia creciente de OH encontrada en este estudio implica que ha habido mayores aumentos en las tasas de emisión de metano que las estimadas asumiendo un OH constante, dice. «O dicho de otra manera, el metano habría contribuido aún más al calentamiento global si no hubiera sido por este fortalecimiento de la capacidad de limpieza atmosférica.
«Los cuatro factores (óxidos de nitrógeno, ozono, calentamiento global y metano) muestran tendencias inducidas por el hombre. La actividad humana está afectando la capacidad del sistema climático para fortalecer su poder oxidante. Estos hallazgos subrayan el papel significativo que desempeñan las actividades humanas en la configuración del sistema climático, afectando la capacidad del hidróxido para limpiar la atmósfera y mantener la calidad del aire».
Más información: Olaf Morgenstern et al., Radiocarbon monoxide indicate increasing atmosphere oxidizing capacity, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-55603-1
