Experimento CLOUD

De la NASA y de los datos de múltiples satélites compilaron la representación de la tierra. a. con nubosidad, vegetación y aumento de la concentración de aerosoles en África (debido a tormentas de arena e incendios).

CLOUD ( siglas en inglés de Cosmics Leaving OUtdoor Droplets ) es un proyecto en el que con métodos de laboratorio en la instalación de investigación nuclear CERN , se investiga la influencia de los iones en la nucleación de aerosoles en condiciones atmosféricas . Gracias al apoyo de la cooperación en bote del 7º Programa Marco de la UE (2007 a 2013) participan 106 científicos de 18 institutos de nueve países, en su mayoría europeos (a partir de 2013). Otros fondos provienen del presupuesto del CERN y de la financiación de la investigación nacional en Alemania, Suiza y Finlandia.

El trasfondo de esto es la controvertida explicación de la supuesta influencia de la actividad solar en las capas inferiores de la atmósfera terrestre a través de las correspondientes fluctuaciones en la radiación cósmica, la tasa de nucleación y la cobertura de nubes, propagada en 1997 por los científicos daneses Henrik Svensmark y Eigil Friis-Christensen ; Consulte Controversia del calentamiento global para obtener más detalles .

Los primeros resultados mostraron que bajo condiciones ambientales diferentes sustancias contribuyen competitivamente a la nucleación y que bajo algunas condiciones los iones juegan un papel importante.

Planificación e implementación

El experimento fue concebido en 1998 y actualmente está dirigido por el físico de partículas Jasper Kirkby . La financiación de la UE de 2007 se aprobó en 2006. Se probó un primer prototipo (prototipo Mk1 con un volumen de 2 × 2 × 2 m 3 ) a finales de 2006. Después de tres años de diseño y construcción, la cámara CLOUD ( prototipo Mk2 , 26 m 3 ) se construyó en el segundo semestre de 2009. A finales de 2009, los equipos internacionales pudieron iniciar campañas de medición .

Después de dos o tres años de experiencia con la segunda cámara, se debería construir una tercera cámara aún más grande (estado 2008), pero esto aún no se ha implementado (estado 2014).

Configuración experimental

El experimento CLOUD se encuentra en el Área Este del Sincrotrón de Protones (PS) en el CERN .

Cámara CLOUD
( prototipo Mk2 )
Enlace a la estructura esquemática ( Memento del 12 de diciembre de 2012 en el Archivo de Internet )
Enlace a la estructura general del CERN
(¡ tenga en cuenta los derechos de autor! )

La llamada cámara CLOUD en la sala este del Sincrotrón de Protones (PS) del CERN actualmente ( prototipo Mk2 ) consiste en un cilindro de acero inoxidable electropulido con un diámetro de 3 my una capacidad de 26,1 m 3 en una cámara climática para inicialmente -30 hasta 40 ° C, ahora actualizado a -65 ° C. Un sistema de mezcla de gas dosifica aire artificial a partir de nitrógeno líquido, oxígeno líquido y agua desionizada y purificada. Ésta es la única forma de lograr un nivel de contaminación suficientemente bajo. El ozono es generado en parte del flujo de oxígeno por un ozonizador cuando es necesario . Se añaden otros gases traza de cilindros de acero en los que las sustancias para los flujos de sustancias manejables están en alta dilución.

Para experimentos con aire ionizado, se generan duchas de aire cuyas partículas primarias son protones de alta energía del anillo de almacenamiento. Se desacoplan en paquetes bajo pedido. Principalmente, los piones entran en la cámara e ionizan las moléculas de aire allí . Los electrones termalizados se unen preferentemente a la molécula de ácido sulfúrico utilizada en los experimentos . Los iones se pueden retirar en un segundo creando una intensidad de campo eléctrico de 10 kV / m entre dos electrodos en forma de rejilla arriba y abajo . Para estimular la fotoquímica , es posible la irradiación con luz ultravioleta (250–400 nm) a través de guías de luz que terminan distribuidas uniformemente en la tapa. Los ventiladores en la cámara garantizan que la mezcla dosificada, los iones y los productos de reacción se distribuyan uniformemente.

A través de tubos de teflón del grosor de un dedo que sobresalen hacia el costado de la cámara, las corrientes de muestra de la atmósfera artificial pasan de manera continua y rápida por los dispositivos de análisis para mantener las falsificaciones al mínimo. Para muchos análisis es importante que las mangueras no tengan una temperatura diferente fuera de la cámara climática. Para ello, están conectados térmicamente a la cámara climática a través de cables de cobre y están bien aislados. Los instrumentos incluyen varios ( tiempo-de-vuelo ) espectrómetros de masas con diferentes interfaces (CI, ionización química , PTR, la transferencia de protones , API, Presión atmosférica Interface ) para la medición de moléculas y partículas de hasta neutros y cargados a unos dos nanómetros de diámetro, y la condensación de partículas contadores a dos tres nanómetros, analizadores de movilidad diferencial , un espectrofotómetro con celda de absorción de largo recorrido (LOPAP) y sensores de humedad.

La cámara generalmente se opera en el flujo y siempre se mantiene bajo una ligera sobrepresión para evitar la entrada de contaminantes, p. Ej. B. a través de análisis para evitar. En un modo de funcionamiento alternativo, la mezcla se prepara a una presión aumentada y luego se expande en poco tiempo para lograr la sobresaturación a través del enfriamiento asociado.

Resultados

En febrero de 2010, en octubre de 2006 se presentaron los resultados de una prueba de funcionamiento de 4 semanas del sistema piloto ( prototipo Mk1 ). Indicaron una conexión existente entre la nucleación por condensación inducida por iones y la formación de aerosoles. Para una cuantificación precisa de las condiciones bajo las cuales esta formación de aerosol alcanzó un tamaño significativo, fueron necesarias mejoras en la configuración experimental, que se incorporaron en la construcción de la 2ª cámara CLOUD ( prototipo Mk2 ).

Los primeros resultados con el prototipo Mk2 se publicaron en 2011 en la revista Nature (breves resúmenes en naturenews-online y el comunicado de prensa del CERN ) y, como advirtió el director general del CERN, Rolf-Dieter Heuer , contenían representaciones claras de los datos de prueba sin ninguna interpretación sobre una posible Impacto climático.

Se pudo demostrar claramente un efecto reforzador de la radiación cósmica ionizante sobre la aglomeración de partículas de aerosol en las capas más frías simuladas de la troposfera media . Los grupos de moléculas ionizadas de ácido sulfúrico mostraron una tasa de nucleación 10 veces mayor que los grupos eléctricamente neutros. Para las capas de la atmósfera inferior hasta 1000 m, también se pudo demostrar que no se aplica el supuesto predominante de que el ácido sulfúrico, el amoníaco y el vapor de agua son las únicas partículas de aerosol responsables de la formación de núcleos de condensación. En condiciones de laboratorio, sólo se podría registrar una tasa de nucleación de núcleos de condensación con estos componentes de 10 a 1000 veces menor que la observable en general en estas capas atmosféricas. Los investigadores sospechaban que los compuestos orgánicos volátiles (COV) eran otro ingrediente importante.

Las aminas se examinaron primero porque se unen al ácido sulfúrico incluso con más fuerza que el amoníaco. Sin embargo, estas sustancias se encuentran en concentraciones mucho más bajas en el medio ambiente, 3 pptv . Gracias a la cámara de alta pureza y un análisis más sensible, fue posible trabajar con tales concentraciones. En octubre de 2013, se publicaron los resultados con dimetilamina en la revista científica Nature . En comparación con los experimentos anteriores con amoníaco, la velocidad de nucleación ahora estaba en el orden correcto de magnitud y apenas dependía de la presencia de iones.

Los investigadores admiten que los procesos de nucleación que compiten con otros vapores son más dependientes de la ionización o que los iones intervienen directamente en la física de las nubes que a través de la nucleación.

Otros experimentos abordan el papel de los COV. La sustancia modelo utilizada son los productos de oxidación superiores del α-pineno , que se generan fotoquímicamente en el experimento . Debido a su carácter polar , son mucho menos volátiles que el α-pineno y otros monoterpenos que emiten las plantas (especialmente los pinos ) en verano . El hecho de que contribuyen a la formación de aerosoles se conoce desde hace mucho tiempo a partir de experimentos en cámaras de smog. Las concentraciones extremadamente bajas requeridas para las tasas de nucleación ambientalmente relevantes en condiciones controladas, de 0,1 pptv, muestran que estas sustancias pueden desempeñar un papel importante a nivel regional en la nucleación y el crecimiento. Un grupo de investigación produjo las concentraciones más bajas de productos de oxidación más altos de α-pineno partiendo de un producto de oxidación estable inicial, pinanediol , que agregaron. En combinación con trazas de ácido sulfúrico, se demostró una influencia cada vez más intensa de los iones: en el caso de concentraciones ambientalmente relevantes de gases traza e iones (troposfera inferior), los iones participaron en la formación del 60% de los gérmenes. A concentraciones de iones más altas (troposfera superior) fue del 70%. La influencia (como se esperaba) disminuyó drásticamente con concentraciones más altas de gases traza. Otro estudio partió clásicamente del α-pineno, aunque a partir de concentraciones particularmente bajas, y observó una formación muy rápida de productos de oxidación más altos, que interpretan como una reacción en cadena intramolecular. A concentraciones más altas, esto se rompería prematuramente debido a reacciones bimoleculares. Para el análisis se utilizó la ionización por piones del anillo de almacenamiento, que también se utilizó en estos experimentos, ya que la medición simultánea de cúmulos positivos, negativos y neutros (con los iones inorgánicos antes mencionados) con tres espectrómetros de masas TOF de alta resolución mejora la diferenciación de especies con el mismo número de masa.

En un trabajo publicado en 2016, los autores escriben que, basándose en los experimentos de CLOUD, se puede determinar que los cambios en la intensidad de los rayos cósmicos no tienen una influencia notable en los eventos climáticos actuales.

enlaces web

Evidencia individual

  1. ↑ Institutos participantes PS215 (CLOUD) . CERN GreyBook.
  2. ↑ Financiamiento. CERN, 2010, archivado desde el original el 22 de septiembre de 2013 ; consultado el 21 de junio de 2016 (inglés).
  3. ↑ B. Fastrup y col. (Colaboración CLOUD): Estudio del vínculo entre los rayos cósmicos y las nubes con una cámara de niebla en el CERN PS. (PDF; 1,5 MB) CERN 2000, CERN-SPSC-2000-021, SPSC-P317, págs. 1–32, arxiv : physics / 0104048 .
  4. ↑ Jasper Kirkby: Mediciones de haz de una cámara CLOUD (Cosmics dejando gotas al aire libre). CERN 1998, CERN-OPEN-2001-028.
  5. ↑ INFORME DE PROGRESO 2007 DE PS215 / CLOUD. The CLOUD Collaboration, CERN, Ginebra, Comité de Experimentos SPS y PS, CERN-SPSC-2008-015 / SPSC-SR-032, 18 de abril de 2008 ( PDF )
  6. ↑ INFORME DE PROGRESO DE 2009 EN PS215 / CLOUD. Colaboración CLOUD, CERN, Ginebra, Comité de Experimentos SPS y PS, CERN-SPSC-2010-013 / SPSC-SR-061, 7 de abril de 2010 ( PDF )
  7. ↑ J. Duplissy et al.: Resultados del experimento piloto CLOUD del CERN. En: Física y Química Atmosférica. 10, 2010, págs. 1635-1647. ( PDF )
  8. ↑ INFORME DE PROGRESO DE 2006 SOBRE PS215 / CLOUD. The CLOUD Collaboration, CERN, Ginebra, Comité de Experimentos SPS y PS, CERN-SPSC-2007-014 / SPSC-SR-019, 12 de abril de 2007 ( PDF )
  9. ↑ Jasper Kirkby et al.: Papel del ácido sulfúrico, el amoníaco y los rayos cósmicos galácticos en la nucleación de aerosoles atmosféricos . En: Naturaleza . cinta 476 , 2011, pág. 429-433 , doi : 10.1038 / nature10343 .
  10. ^ La formación de nubes puede estar relacionada con los rayos cósmicos. NatureNews Online 24 de agosto de 2011.
  11. ↑ El experimento CLOUD del CERN proporciona información sin precedentes sobre la formación de nubes. Comunicado de prensa del CERN PR15.11 del 25 de agosto de 2011.
  12. ↑ Cómo "Illuminati" ayudó a los investigadores del Cern. Welt Online , 15 de julio de 2011, cita: “Les pedí a mis colegas que presentaran los resultados con claridad, pero que no los interpretaran. Eso lo colocaría inmediatamente en la arena altamente política de la discusión sobre el cambio climático ".
  13. ↑ J. Almeida et al. (Colaboración CLOUD): Comprensión molecular de la nucleación de partículas de amina y ácido sulfúrico en la atmósfera . En: Naturaleza (Carta) . 6 de octubre de 2013. ISSN  0028-0836 . doi : 10.1038 / nature12663 .
  14. ↑ Oficina de prensa del CERN : El experimento CLOUD del CERN arroja nueva luz sobre el cambio climático. 6 de octubre de 2013.
  15. ↑ Conocimiento molecular de la nucleación de partículas de amina y ácido sulfúrico en la atmósfera. (pdf; 63 kB) CLOUD Collaboration, 6 de octubre de 2013, archivado desde el original el 1 de noviembre de 2014 ; consultado el 21 de junio de 2016 (inglés, información complementaria para la rueda de prensa sobre la publicación Nature Almeida et al.).
  16. ↑ Colaboración CLOUD: INFORME DE PROGRESO 2011 EN PS215 / CLOUD . Marzo de 2012.
  17. ↑ Francesco Riccobono et al.: Los productos de oxidación de las emisiones biogénicas contribuyen a la nucleación de las partículas atmosféricas . Science 344, 2014, págs. 717-721, doi : 10.1126 / science.1243527 .
  18. ↑ Arnaud P. Praplan et al.: Composición elemental y comportamiento de agrupamiento de los productos de oxidación del α-pineno para diferentes condiciones de oxidación . Atmos. Chem. Phys. 15, 2015, págs. 4145-4159, doi : 10.5194 / acp-15-4145-2015 .
  19. ↑ EM Dunne, H. Gordon, A. Kurten, J. Almeida, J. Duplissy: Formación de partículas atmosféricas globales a partir de mediciones de CERN CLOUD . En: Ciencia . cinta 354 , no. 6316 , 2 de diciembre de 2016, ISSN  0036-8075 , p. 1119–1124 , doi : 10.1126 / science.aaf2649 ( sciencemag.org [consultado el 12 de junio de 2019]).