Ciencia atmosférica: Nuboso, con probabilidades de ciencia

Ciencia atmosférica: Nuboso, con probabilidades de ciencia
Cuando científicos estadounidenses y chinos acordaron medir la contaminación y el polvo en China, nadie había previsto lo difícil que resultaría.
Jane Qiu
Nature 461, 466-468 (2009)

[ Sitios de observación en China ]

La oficina meteorológica de la tranquila ciudad de Shouxian, al este de China, era un hervidero. Era mayo de 2008 y el espacioso patio estaba cubierto con sofisticados instrumentos de telemetría que acababan de llegar prestados por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DoE). En la oficina llevaban tiempo esperándolos, pero habían estado retenidos en la aduana china más de dos meses.

Un grupo de investigadores del clima y funcionarios del gobierno de China y Estados Unidos inspeccionaban con avidez la mercancía recién llegada entre la que se encontraban un radar de nubes, un lidar (un instrumento similar a un radar que envía rayos láser en lugar de microondas) hecho a medida y sensores para estudiar diversas características de la atmósfera y las radiaciones solares. “Con esto podemos hacer grandes cosas”, declaró Zhanqing Li, científico atmosférico de la Universidad de Maryland en College Park, responsable del proyecto de colaboración chino-americano.

En los meses siguientes estos instrumentos apuntarían al cielo chino para controlar y estudiar los aerosoles, pequeñas partículas en suspensión tales como polvo y hollín. Los investigadores se mostraron especialmente interesados en descubrir de qué forma los aerosoles cambian las características de las nubes influyendo en la producción de lluvia, la altura a la que llegan, cuánta luz solar reflejan y su duración. Actualmente los investigadores de la atmósfera sólo tienen nociones de cómo afectan los aerosoles a las nubes y la ignorancia es una de las principales fuentes de incertidumbre en las previsiones del futuro del clima.

Para los expertos en aerosoles, el cielo chino es un paraíso. El país tiene altas concentraciones de partículas procedentes de la contaminación, así como polvo natural que llega de los desiertos próximos. Los investigadores esperaban que los datos de una atmósfera tan rica en partículas ayudaran a resolver grandes preguntas sobre los aerosoles y el clima. Y al mismo tiempo esperaban que el proyecto, que se desarrollaría en cuatro puntos de China (véase el mapa) tuviera su recompensa política. La colaboración conjunta, realizada bajo los auspicios del programa de Medición de la Radiación Atmosférica (ARM) del DoE, se consideraba una muestra del camino de China hacia la apertura. “Este tipo de colaboración habría sido inconcebible hace diez años”, afirmó Thomas Ackerman, científico atmosférico de la Universidad de Washington en Seattle.

[La llegada del equipo a Shouxian fue motivo de celebración. J. Qiu; Z. Li; J. Qiu]

Sin embargo, los vientos políticos no siempre soplaron a favor. Con gran frustración, el DoE tuvo que cambiar su habitual forma de trabajar y conformarse con datos de menor calidad y un menor rango de medidas de lo esperado. “Entre la más alta esperanza y la desesperación más profunda, ha sido el despliegue con más altibajos de todos los que hemos hecho”, dijo Warren Wiscombe, científico jefe del programa ARM e investigador atmosférico del Centro Goddard de vuelos espaciales de la NASA en Greenbelt, Maryland.

Hay mucho en juego porque los datos recogidos en el programa ARM se utilizarán para mejorar la forma en que los modelos de clima simulan las nubes y los aerosoles. Cuando se creó el programa en 1989, sólo tomaba medidas en sitios fijos de Estados Unidos. “Pero caímos en la cuenta de que necesitábamos toda la información posible de distintos sistemas climáticos de todo el mundo para tener una idea completa sobre el cambio climático global”, declaró Wiscombe.

De ahí surgió la instalación móvil, construida en 2004, que contiene la mayoría de los instrumentos de teledetección que hay en los centros estables. Cada año visita una zona del mundo distinta, donde un técnico supervisa su funcionamiento. Un equipo de científicos controla desde Estados Unidos cada instrumento a distancia, analiza la calidad de los datos y los sube en tiempo real a la base de datos del ARM para que la comunidad científica mundial los utilice.

En 2007, Li y Chen Hongbin, subdirector del Instituto de Física Atmosférica de la Academia China de Ciencias con sede en Pekín ganaron la apuesta para llevar la instalación móvil a China al año siguiente. El proyecto se incluyó dentro del acuerdo de investigación sobre el clima firmado en 1987 por el DoE y el ministerio de Ciencia de China. Según dicho pacto, los dos países se comprometen a compartir datos y a colaborar en campañas conjuntas, modelización climática y estrategias para adaptarse al cambio climático.

Rompecabezas de nubes
Uno de los objetivos del despliegue de la instalación móvil del ARM en China era investigar una observación que desde hacía un tiempo tenía perplejos a los científicos atmosféricos. Los instrumentos de teledetección por microondas del satélite de la Misión conjunta Estados Unidos-Japón de Medida de Precipitaciones Tropicales detectan grandes cantidades de agua líquida en las nubes en la región costera occidental de China y, sin embargo, el radar del satélite indica que hay muy pocas precipitaciones.

“Los dos instrumentos del satélite no coinciden, lo que es muy raro”, dijo Chris Kummerow, científico atmosférico de la Universidad de Colorado en Fort Collins, quien junto a sus colegas descubrió la discrepancia (W. Berg et al. J. Appl. Meteorol. Climatol. 45, 434-454; 2006). Algunos investigadores sospechan que el culpable podría ser el alto nivel de aerosoles en la atmósfera china. La idea predominante sobre los aerosoles es que las partículas impiden a menudo las precipitaciones ya que proporcionan un punto de nucleación donde se puede condensar el agua; aumentan el número de gotitas en las nubes y reducen su tamaño medio de forma que es más difícil que las gotas pequeñas crezcan para precipitarse en forma de lluvia.

Y el aire de China está abarrotado de aerosoles en concentraciones que triplican la media mundial. La densidad de los aerosoles, especialmente en la parte oriental del país que está muy poblada, ha crecido muy deprisa. En la zona centro-oriental de China, Li y sus colegas han hallado que el número de días con aire limpio –definido como el que tiene al menos una visibilidad máxima del 75%– ha disminuido continuamente en las tres últimas décadas, pasando del 26% en 1976 al 14% en 2007.

[En sentido horario: un globo utilizado para medir polvo, participantes en el proyecto y una serie de radiómetros. Q. Ji.; Z. Li; Instalación Arm de Investigación del Clima]

Es difícil saber el efecto total de todos esos aerosoles. Muchas otras variables como los tipos de aerosoles, la naturaleza de la superficie de la tierra y los modelos de circulación atmosférica podrían influir en la manera en que los aerosoles alteran las nubes. “Necesitamos muchos datos de todas las regiones climáticas que sea posible –afirmó Mark Miller, científico atmosférico de la Universidad de Rutgers en New Brunswick, Nueva Jersey–. El despliegue del ARM en China es una parte importante de ese trabajo.”

El plan consistía en llevar la instalación de control a cuatro lugares de China con distintos climas y tipos de aerosoles. Los dos puntos occidentales eran la rural Shouxian, 500 kilómetros al noroeste de Shanghai, y Taihu (Lago Tai), en el corazón industrial del delta del Yangtze, unos 100 kilómetros al oeste de Shanghai. Estos dos lugares tienen un clima similar pero aerosoles atmosféricos muy distintos: los de Taihu proceden principalmente de la contaminación industrial, mientras que los de Shouxian tienen su origen en la tierra arrastrada por el viento y el humo de la quema de rastrojos.

Taihu además presenta una de las mayores paradojas relativas a los aerosoles: en ningún otro lugar hay una mayor discrepancia entre la cantidad de agua líquida en las nubes y la cantidad de precipitaciones. “El emplazamiento de Taihu está en el lugar ideal para estudiar los efectos de los aerosoles en las precipitaciones”, señaló Li.

Otro grupo de instrumentos se desplegó en Zhangye, al noroeste de China y después el equipo se trasladó a Xianghe, cerca de Pekín. Estos dos lugares son mucho más secos y menos nubosos que los del sudeste por lo que los investigadores podían comparar los datos sobre aerosoles tomados en distintas condiciones climáticas y medioambientales. En Zhangye, que está a sotavento de los desiertos de Taklimakan y Gobi, los investigadores querían medir los aerosoles del polvo y su efecto en la cantidad de radiación solar que llega a la superficie terrestre.

Al final de la temporada de las tormentas de polvo en julio de 2008, los instrumentos se trasladaron a Xianghe para estudiar de qué forma las actuaciones del gobierno para reducir la contaminación durante los Juegos Olímpicos de Pekín afectaron a las radiaciones solares que llegan a la superficie. “Muy pocas veces se tiene la oportunidad de hacer algo así en grandes metrópolis”, relató Miller.

Idas y venidas
A pesar de las grandes esperanzas depositadas en él, el trabajo en China supuso un esfuerzo titánico, observó Kim Nitschke, jefe de operaciones. “En un principio nuestras expectativas eran grandes ya que creíamos que sería muy interesante estar en China durante los Juegos Olímpicos”, comentó Wiscombe. Luego, la avalancha de problemas truncó sus esperanzas. “En algún momento pensamos que no podríamos conseguir nada”, añadió.

Las dificultades comenzaron desde el primer momento, cuando los instrumentos quedaron atascados en las aduanas chinas por las restricciones debidas a los Juegos Olímpicos. “No nos habíamos enterado de algunos de los cambios en los reglamentos aduaneros y no teníamos todos los papeles necesarios para pasar los instrumentos”, explicó Chen. Por si fuera poco, algunos de los complejos instrumentos puntiagudos como el radar de nubes despertaron muchas sospechas entre los funcionarios de aduanas, lo que contribuyó a demorar su despacho. Este retraso redujo gravemente la campaña, especialmente en Zhangye, donde se perdieron muchas de las tormentas de polvo primaverales.

Cuando los instrumentos estuvieron finalmente en funcionamiento en China, el equipo de apoyo de Estados Unidos se dio cuenta de que el gobierno chino no permitía el acceso a éstos a través de Internet. No podían comprobar la calidad de las medidas ni solucionar los problemas a distancia y tampoco cargar la información en la base de datos pública. El técnico de campo pudo solucionar la mayoría de los problemas técnicos que surgieron, pero algunos problemas leves no se llegaron a solucionar durante una gran parte del despliegue en China.

Para mayor desgracia del DoE, los funcionarios de la Administración Meteorológica China (CMA) clausuraron los fotómetros de los centros de Shouxian y Xianghe que medían las partículas de negro de carbón, uno de los principales componentes del hollín. Curiosamente, el CMA no intervino con medidas en otros lugares de observación, posiblemente porque estaban operados conjuntamente con universidades chinas.

En algún momento del pasado mes de julio, el DoE amenazó con cancelar el proyecto ARM en China, pero decidió mantenerlo teniendo en cuenta el esfuerzo ya realizado. Finalmente, tras largas negociaciones, los investigadores americanos consiguieron un plazo de dos semanas en octubre de 2008 durante las cuales podrían conectarse con los instrumentos a distancia desde Estados Unidos durante unas dos horas al día. Sólo entonces pudieron arreglar la avería del radar de nubes y se pudieron recoger datos durante los dos últimos meses del proyecto.

Los problemas políticos causaron dolores de cabeza hasta los últimos días de la estancia de un año en China. “Incluso al final del despliegue no estábamos seguros de poder sacar nada de él –señaló Nitschke–. Tenía todos los datos en un disco duro portátil pero no estaba seguro de poder sacarlos de China o de que el gobierno chino nos dejara ponerlos a disposición de todo el mundo.”

El CMA dio luz verde y los datos originales de Shouxian y Zhangye están disponibles actualmente en la base de datos del ARM. Muchos investigadores se toman con filosofía las dificultades encontradas con el despliegue de ARM en China. “China se encuentra en una fase de transición”, explicó Daniel Rosenfeld, científico atmosférico de la Universidad Hebrea de Jerusalén, Israel. Aunque el país no está tan abierto como le gustaría a la gente, la colaboración claramente indica un alejamiento del viejo estilo, añadió. “El proceso no está aún completo, pero espero que el problema de la apertura sea pronto algo de otros tiempos.” Wei-Chyung Wang, científico del clima de la Universidad de Nueva York en Albany, y responsable de la gestión del acuerdo de investigación sobre el clima por parte de Estados Unidos, aseguró que el proyecto es “una de las colaboraciones de mayor éxito realizadas a raíz del acuerdo”. A lo que añadió que “esta experiencia única ha abierto realmente el diálogo y despertará mayor interés en colaboraciones de este tipo”.

Festín de datos
Los participantes en el proyecto dicen que están contentos con los datos recogidos. “Ahora tenemos datos de nubes de China que nunca antes se habían tenido”, aseguró Miller. Desde que los datos recogidos en Shouxian y Zhangye se pusieron a disposición del público en marzo y abril de 2009, respectivamente, los investigadores han estado ocupados analizándolos. Connor Flynn, científico atmosférico del Laboratorio Nacional del DoE para el Pacífico Noroeste en Richland, Washington, se muestra entusiasmado con los datos. “Algunas de las imágenes del lidar son trágicamente sobrecogedoras”, dijo refiriéndose a las medidas de la contaminación.

Ha trazado los datos del lidar para mostrar la concentración y composición de los aerosoles a distintas altitudes. “Se pueden ver las capas de la atmósfera girando juntas, los cristales de hielo cayendo desde una nube alta, y cómo cambian sus propiedades a medida que pasan a otras capas”, afirmó Flynn. Los datos también muestran las masas de aire con composiciones de aerosol diferenciadas procedentes de regiones donde hay polvo y de zonas urbanas, agrícolas e industriales y mezclándose a distintas altitudes. “No siempre se tienen aerosoles de distinto origen a altas concentraciones en otras partes del mundo”, comentó. La información será enormemente valiosa para los encargados de crear los modelos de clima que intentan simular dichos procesos, añade Flynn.

Usando datos de radiómetros, lidar, radar de nubes y globos meteorológicos, Li y sus colegas han hecho algunos progresos para comprender la paradoja agua-precipitaciones de las nubes en el este de China. En una reunión conjunta celebrada en Pekín el mes pasado entre el DoE y el ministerio de ciencia chino, Li mostró que el efecto de los aerosoles en las precipitaciones depende de la cantidad de agua líquida que contienen las nubes. Cuando las nubes son relativamente secas, al añadir aerosoles se puede eliminar la precipitación. Sin embargo, en las nubes más húmedas los aerosoles aumentan las probabilidades de lluvia. Esto coincide con la observación de que el número de días de lluvia fina han disminuido un 23% en los últimos 50 años en el este de China; los estudios de modelización de nubes indican que esto se puede explicar por el aumento de la concentración de aerosoles en la zona (Y. Qian et al. J. Geophys. Res. 114, D00K02; 2009). Además, los datos recogidos en Shouxian y Taihu muestran que los aerosoles afectan aparentemente al espesor de las nubes y la altitud a la que se forman. “Si se demuestra que es cierto, las repercusiones de los aerosoles en el cambio climático serán tremendas”, aseguró.

Pero los datos chinos no han solucionado todos los interrogantes de las nubes. Mediante una simulación por ordenador, Kummerow y sus colegas han localizado “una pauta muy complicada” en la forma en que los aerosoles afectan a las nubes. “Parece aumentar las precipitaciones en algunos sitios y disminuir la lluvia en otros”, añadió. Por ejemplo, los datos del radar de nubes y del radiómetro de Shouxian indican que, en días con cantidades comparables de aerosoles y agua líquida en las nubes, algunas veces llovía y otras no.

Estas lecturas preliminares de los datos ARM recogidos en China muestran todo lo que queda por aprender. Y los resultados científicos no son el único dividendo del proyecto. Para investigadores chinos como Huang Jianping, un científico atmosférico de la Universidad de Lanzhou en la provincia de Gansu, la colaboración en el proyecto ARM sirvió para reforzar la capacidad de China para realizar campañas a largo plazo. Desde 2005 Huang ha estado construyendo un observatorio a 40 kilómetros al este de Zhangye, centrado en la investigación del clima en regiones semiáridas. “El despliegue de ARM en Zhangye nos ha permitido trabajar junto a los mayores especialistas en este campo”, afirmó Huang. Y la experiencia ha servido como acicate para que los científicos chinos se planteen metas más altas.