Efecto del Hollín en la Formación de Nubes
Rosario Guzman, Gustavo Sosa, y Abel Toribio
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Figura 1. Partículas
de aerosol de hollín. Izquierda, fotografía
experimental. Derecha, simulación del equipo MIT-CAM:
agregado fractal de 64 partículas primarias, dimensión
fractal 1.7. |
¿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.
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Figura 2. Absorción
de agua en un
agregado de cuatro partículas primarias. Aquí
mostramos una de las 10 configuraciones geométricas
estudiadas por Xie. EL equipo MIT-CAM, mediante Surface Evolver,
simuló la condensación de agua sobre un substrato
con un ángulo de contacto de 60º. |
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
- Brakke, K. A. (1992) “The Surface Evolver”, Experimental
Mathematics 1: 141-165. http://www.geom.umn.edu/software/download/evolver/evolver.html
- Forrest, S.R., y Witten, T. A. (1979), “Long-range correlations
in smoke-particle aggregates”, Journal of Physics A: Math.
Gen., 12, L109.
- Guzmán, R., Sosa, G., Toribio, A., Molina, M., Molina,
L., Marlow, W., “Activation of fractal-like aerosol soot
as cloud condensation nuclei”, en preparacíon.
- Jullien R. y Botet R. (1987). “Aggregation and Fractal
Aggregates”. World Scientific, Publishing, Singapore.
- Sosa, G. (2002). “Modelación de especies fotoquimicas
y particulas suspendidas de la ZMVM”, Tesis doctoral, CINVESTAV
del IPN. Mexico.
- Stoyan, D., y Stoyan, H. (1994). “Fractals, Random Shapes
and Point Fields”. John Wiley & Sons, England.
- 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.
- Toribio, Abel (2002), “Sistema de Simulación de
Aerosoles”, Tesis de licenciatura. Escuela Superior de Cómputo
del Instituto Politécnico Nacional. Mexico.
- 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.
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