Efecto del Hollín en la Formación de Nubes

Rosario Guzman, Gustavo Sosa, y Abel Toribio

¿Por qué nos interesamos por las propiedades del hollín en relación con el agua? Esta pregunta parece trivial, ya que los problemas de salud y visibilidad que las altas cantidades de hollín provocan nos resultan familiares. Sin embargo, existe un proceso asociado con la geometría del hollín que desafía nuestra intuición.

El hollín es una substancia carbonácea negra generada durante una combustión incompleta de carbón, madera, petróleo, etc., que se eleva en forma de partículas finas, las cuales se adhieren a las superficies por contacto ennegreciéndolas. El hollín es un material hidrófobo (repele o no absorbe el agua). De hecho, su ángulo de contacto con el agua es de alrededor de 80°. Recordemos que el ángulo de contacto mide “qué tanto moja un líquido a una superficie”, de manera que ángulos pequeños representan superficies hidrófilas (gran afinidad con el agua) y ángulos grandes superficies hidrófobas.

Hasta hace poco modelábamos el hollín como una esfera con propiedades equivalentes a las de la partícula real. Este modelo confirmaba la idea intuitiva de que la cantidad de agua que pudiera condensarse en su superficie era ínfima, y que aumentar esta cantidad requería una supersaturación del ambiente extremadamente alta. Pero no olvidemos que estas conclusiones dependen sobre manera del modelo utilizado, y que el hollín está lejos de exhibir una forma esférica.

En 1996, Xie y Marlow de la Universidad de Texas A&M investigaron el efecto de la curvatura de una superficie sobre la presión de vapor de agua en equilibrio. A partir de lo que ellos denominaron “aerosoles complejos” (cúmulos de dos a cuatro esferas idénticas, arregladas en diez configuraciones geométricas diferentes), determinaron el volumen de agua en función de la humedad relativa. Para hacer esto, se valieron del Surface Evolver, un programa de acceso gratuito a través de Internet. Evolver es un programa que minimiza la energía de un sistema sujeto a fuerzas y restricciones especificadas por el usuario. De esta manera, Xie y Marlow determinaron las condiciones de equilibrio termodinámico para el sistema aire-agua-substrato sujeto a la tensión superficial del agua en contacto con el aire. Esto puso en evidencia la fuerte sensibilidad de la presión de vapor respecto a la geometría del substrato. Uno de los resultados más sorprendentes que pueden extraerse de su trabajo es que el hollín es capaz de absorber cantidades ilimitadas de agua.

En 1979, Forrest y Witten detectaron la naturaleza fractal de aerosoles varios como los metales, los óxidos metálicos, el dióxido de silicio y el hollín, los cuales se forman por agregación de pequeñas partículas aproximadamente esféricas (que nosotros llamaremos “partículas primarias”). Un fractal es un concepto matemático que “cualitativamente puede describirse como un objeto rugoso cuya rugosidad es tal que aparece a cualquier escala” (Julien y Botet, 1987). Esta cualidad puede representarse mediante una cantidad llamada dimensión fractal “que no tiene por qué ser un número entero” (al contrario de la dimensión de una curva lisa o de una superficie lisa, 1 y 2 respectivamente). Aunque en la naturaleza no existen fractales perfectos, sí existen formas irregulares que a cierta escala semejan un fractal. Tal es el caso de superficies fracturadas, sistemas ecológicos, perfiles de nubes, “el intrincado arreglo móvil de las plumas de las alas de un ave en vuelo” (Stoyan y Stoyan, 1994) y hollín recién emitido. Éste último con dimensión fractal entre 1.7 y 1.9.

En 1996, Thouy y Jullien propusieron un algoritmo para la generación de agregados fractales con dimensiones entre 1 y 2.55, con un número arbitrario de partículas primarias. En la naturaleza las partículas se juntan de maneras diferentes, partícula con partícula, partícula con cúmulo, cúmulo con cúmulo. Thouy y Jullien utilizaron el mecanismo de agregación cúmulo-cúmulo, ya que es el que mejor refleja el mecanismo de agregación del hollín.

En 2002, Toribio y Guzmán construyeron un sistema de simulación de aerosoles basado en el algoritmo de Thouy y Jullien. Una vez que estuvo disponible este sistema de simulación, Sosa y Guzmán (2002) investigaron si los aerosoles de Xie y Marlow aparecían en partículas ‘reales’ de hollín de tipo fractal, y si era así, qué tan frecuentes eran. La respuesta fue “sí, varias de esas 10 configuraciones geométricas están presentes”. Como es sabido, tiene que haber un núcleo de condensación de nubes (NCN) en la atmósfera para que se formen nubes; tradicionalmente los NCN se identificaron con partículas hidrófilas. Sin embargo, después de su hallazgo, Guzmán et al. determinaron que el hollín tiene la capacidad de activarse como núcleo de condensación de nubes e hicieron una estimación de la humedad relativa necesaria para que esto ocurriera. Llegamos, pues, a la importante conclusión de que el hollín absorbe más agua de la que pensábamos gracias a su rugosidad, y lo que es más, tiene la capacidad de formar nubes en condiciones que se presentan comúnmente en la atmósfera. (Propiedades geométricas “frente a” propiedades físicas).

¿Qué propiedades tienen estas “nuevas” nubes? ¿Qué efecto tienen en el balance energético del planeta? Si el hollín absorbe agua, es más que probable que absorba otras sustancias, ¿afecta esta propiedad del hollín a la salud de las personas? ¿Cómo afecta a la química de las partículas? Estas y otras interrogantes están siendo investigadas como parte del Proyecto MIT-CAM.

Agradecimientos. Este trabajo se ha realizado con el apoyo del Programa Integral sobre Contaminación del Aire Urbana, Regional y Global y la ayuda económica de la Comisión Ambiental Metropolitana.

Referencias

1. Brakke, K. A. (1992) “The Surface Evolver”, Experimental Mathematics 1: 141-165. http://www.geom.umn.edu/software/download/evolver/evolver.html
2. Forrest, S.R., y Witten, T. A. (1979), “Long-range correlations in smoke-particle aggregates”, Journal of Physics A: Math. Gen., 12, L109.
3. Guzmán, R., Sosa, G., Toribio, A., Molina, M., Molina, L., Marlow, W., “Activation of fractal-like aerosol soot as cloud condensation nuclei”, en preparacíon.
4. Jullien R. y Botet R. (1987). “Aggregation and Fractal Aggregates”. World Scientific, Publishing, Singapore.
5. Sosa, G. (2002). “Modelación de especies fotoquimicas y particulas suspendidas de la ZMVM”, Tesis doctoral, CINVESTAV del IPN. Mexico.
6. Stoyan, D., y Stoyan, H. (1994). “Fractals, Random Shapes and Point Fields”. John Wiley & Sons, England.
7. Thouy, R., y Jullien, R. (1996) “Structure Factors for Fractal Aggregates Built Off-Lattice with Tunable Fractal Dimension”. J. Phys. I France 6, 1365-1376.
8. Toribio, Abel (2002), “Sistema de Simulación de Aerosoles”, Tesis de licenciatura. Escuela Superior de Cómputo del Instituto Politécnico Nacional. Mexico.
9. Xie J. (1996) “Equilibrium vapor pressure of water over multiple aerosol particles”. Tesis doctoral. Texas A&M University. USA.

R. Guzmán, A. Toribio, Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas del IPN; G. Sosa, Programa de Investigación en Medio Ambiente y Seguridad, Instituto Mexicano del Petróleo.