Ciencia atmosférica: el oscuro panorama climático

Centrados en los gases de efecto invernadero, los científicos atmosféricos han ignorado en gran medida las modestas partículas de hollín. Pero el negro de carbón es ahora un tema candente entre investigadores y políticos.
Jeff Tollefson
Nature 460, 29-32 (2009)

Steve Warren ha pasado sus vacaciones de una isla a otra con un par de amigos, pero no para tumbarse al sol. Por el contrario, su equipo de la Universidad de Washington en Seattle ha recorrido el ártico canadiense excavando hoyos en la nieve y recopilando cientos de muestras para llevarlas al laboratorio. Los objetivos de su expedición, ocultos en la inmensidad de la blancura, eran manchas de lo que llamamos “negro de carbón”.

Estas partículas oscuras, que son el principal componente del hollín, resultan de la combustión incompleta de los motores diésel, las centrales de carbón, la quema agrícola y los incendios forestales del Sur. Los vientos dominantes arrastran el negro de carbón y otros agentes contaminantes hacia el Ártico, donde circulan en una sucia neblina amarillenta hasta que las tormentas los empujan hacia el suelo. El equipo de Warren estuvo recopilando aquellos que cayeron entre los copos de nieve.

La neblina de aerosol lleva mucho tiempo asediando el Ártico, pero ahora es cuando los científicos están haciendo balance de una dimensión del hollín diferente y potencialmente más perniciosa. Como puede deducirse, el negro de carbón absorbe la luz del sol. Estas partículas calientan la atmósfera cuando se encuentran suspendidas en el aire. Al posarse en la nieve, aceleran su derretimiento. De esta forma queda expuesta la tierra subyacente y el agua, que absorben más cantidad de energía solar y con ello incrementan la temperatura de la región. Algunas investigaciones recientes¹ apuntan a que gran parte del calentamiento del Ártico podría deberse al negro de carbón. El hollín también causa estragos en otros lugares. En el sudeste asiático, algunos estudios sugieren² que está reprimiendo el suministro de humedad para los monzones indios y contribuyendo a la retirada de los glaciares montañosos que abastecen de agua dulce a más de mil millones de personas.

En la actualidad, los científicos carecen de datos suficientes para concluir el grado en que el negro de carbón afecta al clima. Pero algunos estudios apuntan a que podría figurar en segundo lugar, tras el dióxido de carbono, en cuanto a su contribución al calentamiento global. Existe, sin embargo, una diferencia crucial entre ambos agentes contaminantes: las partículas de hollín se mantienen suspendidas en la atmósfera solamente durante unas semanas, mientras las moléculas de CO₂ pueden permanecer en el aire durante siglos. Esto significa que los esfuerzos por frenar las emisiones de hollín podrían suponer ventajas inmediatas para el clima, una posibilidad que ha colocado recientemente al hollín –tradicionalmente un asunto de salud pública– en la agenda de las políticas climáticas.

“Se trata de un asunto urgente: todavía no tenemos una manera viable de reducir el CO₂”, afirmó Veerabhadran Ramanathan, científico atmosférico de la Institución Oceanográfica Scripps de La Jolla, California. En términos comparativos, reducir las emisiones de hollín parece extraordinariamente sencillo y barato. “No es algo que vaya a tardar 100 años ni 30. Si detenemos el negro de carbón ahora, en dos semanas habrá desaparecido.”

[Stephen Warren utiliza nieve de la isla de Ellesmere en Canadá para analizar los efectos del hollín en el clima. R. Brandt]

Datos turbios
Mucho antes del actual interés por el negro de carbón, una observación accidental de Warren lo llevó a realizar algunas labores pioneras sobre este agente contaminante. En 1980, él y Warren Wiscombe del Centro Nacional de Investigación Atmosférica de Boulder, (Colorado) tenían problemas para desarrollar un modelo matemático de la reflexión de la nieve o albedo. No lograban que sus cálculos concordaran con las últimas mediciones de albedo en el Ártico porque la nieve de su estudio reflejaba menos luz de la esperada. “Resultó que las muestras de nieve se habían tomado en una zona donde soplaba viento procedente de un generador diésel”, explicó Warren.

Warren empezó a colaborar con Antony Clarke de la Universidad de Washington, quien organizó el primer sondeo de depósitos de negro de carbón en el Ártico, principalmente utilizando muestras recogidas por investigadores que viajaban hasta allí por otros motivos. A partir de esos datos, Clarke concluyó en 1985 que el hollín podía tener un efecto medible en el clima del Ártico³. Pero su artículo tuvo poco efecto hasta que Jim Hansen, conocido por alertar al mundo sobre la amenaza de la contaminación del CO₂, insistió sobre el asunto años después.

En el año 2000, Hansen –que dirige el Instituto Goddard de Estudios Espaciales con sede en Nueva York– planteó⁴ que la forma más rápida de combatir el calentamiento global era reducir las emisiones de negro de carbón, metano y otros contaminantes nocivos que inciden en el calentamiento global y que se pueden controlar más fácilmente, y con mejores resultados, que el CO₂. Pronto se realizaron otros estudios. Partiendo de investigaciones anteriores sobre el esmog en California, Mark Jacobson de la Universidad de Stanford (California) llegó a una conclusión similar al año siguiente⁵. Desde entonces es uno de los principales defensores de restringir las emisiones de negro de carbón y fue invitado a explicar su postura ante un comité del Congreso estadounidense presidido por el demócrata californiano Henry Waxman en 2007. Waxman, que ahora preside el Comité de energía y comercio de la Cámara de Representantes, tomó buena nota del mensaje. En una exhaustiva ley sobre el clima que la Cámara de Representantes aprobó la semana pasada, instó a la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) a analizar posibles estrategias con respecto al negro de carbón.

Según los cálculos de Jacobson, los humanos hemos arrojado suficientes contaminantes al aire como para calentar el planeta unos 2 °C. Pero más de la mitad de ese efecto queda enmascarado por otros contaminantes en forma de aerosol –incluidos sulfatos y partículas de hollín de color claro– que enfrían el planeta al reflejar la luz del sol. Jacobson calcula que, en total, el clima se ha calentado entre 0,75 y 0,85 °C, cantidad de la que el negro de carbón es responsable de 0,25 °C.

“Dicho en otras palabras, podríamos controlar hasta el 30% del calentamiento global si controlamos el hollín”, aseguró. Dado que el efecto del negro de carbón se deja notar especialmente en el Ártico, añadió que dicha estrategia podría ralentizar el retroceso de las banquisas hasta que entren en acción los controles internacionales de los gases de efecto invernadero. “Es el único mecanismo de que disponemos –afirmó–, a falta de llevarnos unos cuantos refrigeradores”.

Un estudio reciente del Ártico avala las estimaciones de Jacobson. Drew Shindell, climatólogo modelista del Instituto Goddard, utilizó recientemente un modelo climático combinado océano-atmósfera para reconstruir las influencias del siglo XX en el clima con y sin negro de carbón. Sus resultados apuntan a que los incrementos de negro de carbón en Asia y las reducciones en la contaminación de sulfatos han provocado en torno al 45% del calentamiento observado en el Ártico¹. Según los cálculos globales de Ramanathan², el forzamiento del negro de carbón equivale a 0,9 vatios por metro cuadrado, superior al forzamiento del metano y avun 55% del forzamiento del CO₂.

Estas cantidades son muy superiores a las estimaciones presentadas por el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) en su informe de 2007. El IPCC establecía la influencia directa del negro de carbón –sin incluir su capacidad para acelerar el derretimiento del hielo– entre 0,05 y 0,35 vatios por metro cuadrado6. En total, el efecto de todos los aerosoles –tanto el negro de carbón que absorbe calor como los reflectantes de color claro– produce un enfriamiento neto de 0,5 vatios por metro cuadrado, según el panel. Esto basta para compensar aproximadamente un tercio del calentamiento producido por el CO2, pero el cálculo incluye un elevadísimo rango de incertidumbre de 0,1-0,9 vatios por metro cuadrado. Y además no incluye el efecto indirecto que los aerosoles ejercen sobre las partículas de nube.

El mes pasado, Gunnar Myhre, climatólogo modelista del Centro de Investigación Internacional del Clima y el Medio Ambiente de Oslo, intentó reducir la incertidumbre. Comparó modelos globales de aerosol con las observaciones obtenidas del sistema AERONET de tierra de la NASA –una red de sensores de aerosol pasivos– y con los datos de los instrumentos MODIS (espectorradiómetro de formación de imágenes de resolución moderada) de los satélites de la NASA. Tras dar cuenta de las emisiones históricas y retocar la forma en que su modelo trataba las nubes, Myhre presentó una nueva estimación⁷ de 0,3 vatios por metro cuadrado de enfriamiento y redujo a la mitad el rango de incertidumbre del IPCC. Al explicar su cálculo inferior de enfriamiento neto, Myhre destacó que las emisiones de negro de carbón se han multiplicado aproximadamente por seis en la era industrial, mientras los aerosoles reflectantes sólo lo han hecho por tres o por cuatro.

Preguntas en el aire
Aunque pocos dudan del efecto de calentamiento del negro de carbón, particularmente en las zonas de hielo, a algunos científicos les preocupa que el debate político se esté imponiendo a la ciencia. Son muchas las dudas en cualquier sentido, desde las emisiones actuales e históricas hasta los verdaderos procesos físicos y químicos que provocan la influencia del negro de carbón en la nieve y en la atmósfera.

Hansen, por su parte, considera “excesiva” la responsabilidad atribuida al negro de carbón y sostiene que los gases de efecto invernadero son “la causa predominante” del calentamiento global y del Ártico y que el metano es el agente de forzamiento número 2. Al mismo tiempo, sostiene que el efecto del hollín se amplifica en la nieve, con lo cual no se pueden descartar las cifras propuestas por Shindell. “Suponiendo que podamos frenar los gases de efecto invernadero –afirmó–, cualquier otra medida que podamos adoptar, como reducir las emisiones de negro de carbón, será útil.”

Tal grado de incertidumbre ha hecho que los datos contrastados adquieran gran importancia, y por ello Warren y sus compañeros salieron de viaje en 2006 para efectuar el primer sondeo de depósitos de negro de carbón en el Ártico. Desde entonces han recogido muestras en Siberia, Groenlandia y Alaska, así como en el Polo Norte. En su viaje más reciente, en abril, alquilaron un avión con esquís en Inuvik, en los territorios del noreste de Canadá, y volaron hacia el Este para posarse sobre lagos, tundra, hielo marino y extensiones de hielo permanente.

Cada uno de los hoyos de muestra del equipo capta una temporada de nieve completa y aporta pistas sobre los momentos en que se depositaron distintos tipos de contaminación de negro de carbón. Su intención es suministrar este amplísimo recurso nuevo a los climatólogos modelistas, quienes siguen intentando aclarar las formas en que el negro de carbón podría afectar a las temperaturas.

Las muestras tomadas por el equipo de Warren sólo narran parte de la historia. Los investigadores han empleado también instrumentos en tierra, aviones y satélites para medir el hollín en el aire. Pero la tarea resulta especialmente complicada porque el color oscuro del hollín dificulta su detección.

La NASA espera obtener datos más precisos sobre el negro de carbón en todo el planeta cuando lance el satélite Glory el año que viene. Un sensor de aerosol pasivo escaneará la atmósfera utilizando siete longitudes de onda, desde luz visible hasta infrarrojos de onda corta. No será capaz de especificar la cantidad de negro de carbón a altitudes específicas, pero debería poder medir la concentración total desde el suelo hacia arriba con precisión del 3%, afirmó Brian Cairns del Instituto Goddard, quien ha diseñado el instrumento.

Otras pistas sobre la influencia del negro de carbón provienen de las profundidades de Groenlandia, donde las capas de hielo registran la cantidad de hollín que el viento ha transportado por el Ártico desde antes de la Revolución Industrial. En 2007, Joe McConnell, hidrólogo del Instituto de Investigación del Desierto (DRI) en Reno (Nevada), midió las concentraciones de negro de carbón en una muestra de hielo de la zona central de Groenlandia que databa de 1788 y descubrió que se habían septuplicado entre 1850 y aproximadamente 1910, sobre todo durante el invierno. Después los niveles de hollín disminuyeron hasta aproximadamente 1950 y a partir de entonces se mantuvieron bastante próximos a los niveles preindustriales⁸. Estos datos y los obtenidos de una segunda muestra de hielo de Groenlandia parecen corresponderse en buena medida con los cálculos de las emisiones históricas en Norteamérica, una fuente probable del hollín.

[Negro de carbón a lo largo del tiempo.]

A primera vista, resulta difícil equiparar los datos de Groenlandia con el argumento de que el negro de carbón es ahora un elemento decisivo en el Ártico. Las temperaturas en el Ártico han aumentado en las últimas décadas, mientras que los niveles de negro de carbón prácticamente han regresado a los niveles históricos.

McConnell recomienda no extraer conclusiones demasiado definitivas sobre el negro de carbón a partir de sus dos muestras publicadas. Y ya ha comenzado a analizar otro par de muestras de hielo procedentes de Alaska. La cantidad de hollín en la nieve depende tanto de la cantidad emitida como de la forma en que se transporta. No hay forma de diferenciar los cambios entre una y otra basándose simplemente en unos cuantos emplazamientos.

Predispuesto para derretirse
Las circulaciones en el Ártico podrían haber cambiado en algún momento, o quizás sencillamente Groenlandia no sea representativa de todo el Ártico. Las variaciones en ambos argumentos se han utilizado para explicar la aparente discrepancia. Otra posibilidad es que el Ártico sea más susceptible hoy día que en el pasado: las décadas de calentamiento podrían haber predispuesto al sistema climatológico para unos deshielos primaverales precoces.

“Con que la nieve se derrita sólo unos días antes, el efecto ya es bastante dramático”, afirma Andreas Stohl, investigador del Instituto Noruego sobre Investigación del Aire en Kjeller, que ha estado estudiando la forma en que el negro de carbón penetra en el Ártico. “Lo mismo puede decirse del hielo marino. “Se derretirá igualmente, pero el negro de carbón puede hacer que se derrita más, y antes”. Y eso tiene un efecto bastante grande”.

El año pasado, Stohl dirigió un proyecto denominado POLARCAT que empleó aeronaves y satélites como parte de una intensiva misión de recogida de muestras de aerosoles en el Ártico. El proyecto documentó una serie de columnas de humo procedentes de actividades agrícolas y quemas al aire libre en Siberia. Esta información respalda los datos recopilados por Warren y sus colegas y apunta a que el negro de carbón de los fuegos –en lugar de las fuentes industriales– desempeña un papel dominante durante la estación del deshielo en el Ártico⁹.

Dichos resultados, que asombraron a algunos investigadores, podrían contribuir a explicar cómo la reducción de los niveles de negro de carbón en la actualidad podría influir poderosamente en las temperaturas. Los incendios agrícolas raramente ocurren durante el oscuro invierno del Ártico, cuando el negro de carbón ejerce poco impacto. Normalmente se dan en primavera y verano, cuando las oscuras partículas de hollín son especialmente eficaces para derretir la nieve.

La historia es distinta en el sudeste asiático, donde China e India están experimentando un rápido desarrollo que combina la quema de combustibles fósiles a escala industrial con un uso generalizado del carbón, la madera y los residuos de las cosechas para calentar los hogares y cocinar. La humilde estufa de cocina puede representar en torno al 40% de la contaminación de negro de carbón en China y aproximadamente dos tercios del total en lugares como India, Pakistán y Bangladesh, afirma Ramanathan.

Surabi Menon, investigadora del Lawrence Berkeley National Laboratory (California), figura entre las primeras personas, junto con Hansen, en indagar en los efectos del negro de carbón en el sudeste asiático. Utilizando modelos climáticos de circulación general para probar los efectos de los aerosoles en 2002, descubrieron que el negro de carbón y otras partículas podrían contribuir a explicar las sequías del norte de China y las inundaciones del sur de este país10. Menon ha finalizado recientemente algunos modelos que apuntan a que el negro de carbón podría ser responsable de aproximadamente un tercio de la retirada de los glaciares en las dos últimas décadas.

Ramanathan llevó el asunto un paso más lejos en marzo de 2006, al dirigir un equipo que envió tres vehículos aéreos no tripulados sobre el Océano Índico para tomar muestras de los niveles de negro de carbón¹¹. Partiendo de estos resultados, sugirió que el Himalaya sufre por partida doble: además de su efecto directo sobre los glaciares, el negro de carbón y otros aerosoles también disminuyen las precipitaciones de nieve al inhibir el monzón indio². Un efecto del negro de carbón consiste en absorber la luz del sol en las capas altas de la atmósfera sobre el Océano Índico, creando una sombra sobre la superficie del océano y limitando la evaporación. Al mismo tiempo, enfría el continente lo suficiente como para debilitar los vientos monzones procedentes del Océano Índico. En conjunto, dichos cambios contribuyen a la retirada de los glaciares al inhibir unas precipitaciones que de lo contrario repondrían las reservas de nieve cada año.

[Una espesa neblina persiste sobre el delta del Ganges.]

Ramanathan lidera ahora un consorcio en el que participan científicos de países como India, China, Japón y Corea del Sur, y que intenta documentar los efectos en el Himalaya, de donde proviene el agua dulce de la región. El equipo está incluso detectando fuertes indicios de hollín en torno al Monte Everest.

“Estamos encontrando la misma cantidad de negro de carbón a altitudes de 3-6 kilómetros que en el centro de Los Ángeles”, afirmó, sugiriendo que el problema parece agravarse cuanto más profundiza en él. A Ramanathan ya no le queda ninguna duda: es preciso actuar sobre el negro de carbón. Aunque comprende que producir cambios en las aldeas y ciudades del sudeste asiático no será fácil. “En el aspecto político, es un asunto muy complicado –comentó–.Suerte que no soy político.”

Freno al hollín
El mes pasado, el Consejo Ártico compuesto por ocho naciones designó un grupo de trabajo para identificar formas de reducir el negro de carbón y otros contaminantes clave responsables del rápido calentamiento en el Ártico. Que los científicos defensores del vínculo entre el negro de carbón y el clima estén haciendo llegar su mensaje a los gobiernos fue toda una señal. La cuestión a la que se enfrenta el Consejo y los responsables políticos de todo el mundo consiste en qué hacer.

El negro de carbón, componente principal del hollín, es un producto muy generalizado que procede de una combustión incompleta y que se forma en los incendios de los bosques naturales, en los vehículos de motor, en las fábricas de carbón e infinidad de otras fuentes. El hollín contiene tanto negro de carbón como partículas de color claro que enfrían el planeta. El humo producido por fuentes como las estufas de cocina y los motores diésel suele contener gran cantidad de partículas oscuras. Reducir las emisiones de negro de carbón no es tanto un problema técnico –las estufas de cocina y los filtros modernos pueden hacer casi todo el trabajo–, sino más bien un asunto de gobierno y recursos.

“El negro de carbón es posiblemente la espina más grande y rápida que podemos quitarle al problema del clima”, declaró Durwood Zaelke, director del Instituto para el Gobierno y el Desarrollo Sostenible en Washington DC y que ha contribuido a liderar el movimiento a escala internacional. “Necesita, no obstante, un seguimiento con acciones reguladoras agresivas.”

Las emisiones de hollín en todo el mundo han ido en progresivo aumento desde mediados de la década de 1800, aunque en las últimas décadas el origen de las emisiones se ha desplazado de las naciones industrializadas a las naciones en desarrollo. Identificar con exactitud las emisiones actuales resulta difícil, pero Tami Bond, investigadora de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, calcula que la combustión diésel y el uso doméstico de combustibles (carbón, madera y residuos agrícolas) producen, cada uno, alrededor de un cuarto del total, otro 40% procede de los incendios forestales y la quema agrícola controlada, y el resto lo constituyen diversas fuentes industriales.

Las naciones industrializadas podrían seguir limpiando los combustibles fósiles y reducir sus emisiones agrícolas. Pero gran parte de la atención recaerá sobre los países en desarrollo. En este sentido, la esperanza reside en que las actuales preocupaciones sobre el cambio climático estimulen los esfuerzos existentes para limpiar las emisiones diésel y sustituir las estufas de cocina ineficaces.

[Algunos métodos de cocina indios están agravando los niveles de hollín en la atmósfera.]

El precedente está ahí. China repartió unos 150 millones de estufas en áreas rurales durante la década de 1980 y a comienzos de la década de 1990, en su intento por reducir el empleo de combustibles, explicó Kirk Smith, experto en energía rural en la Universidad de California, Berkeley. Smith está trabajando con las comunidades locales para fomentar el uso de estufas de biomasa producidas localmente y que generan una combustión limpia, reduciendo con ello las emisiones de dióxido de carbono, metano y otros compuestos peligrosos. El trabajo pretendía mejorar la salud pública y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, pero la nueva atención dirigida hacia el negro de carbón tampoco viene mal, afirmó Smith. “Es una especie de «contaminante del mes», y hay que aprovechar el protagonismo que está adquiriendo.”