De acuerdo a un artículo publicado en la revista Current Biology, científicos de la Universidad de Bristol proponen la selección cuidadosa de cultivos destinados a la alimentación, con el propósito de frenar el cambio climático.
La selección propuesta por estos científicos consiste en tomar en cuenta el nivel de albedo (porcentaje de radiación que una superficie refleja respecto a la que incide sobre la misma) de esta variedad de plantas, ya que cada tipo tiene diferente nivel de reflexión de la luz. Normalmente el cultivo destinado a la alimentación, produce un mayor enfriamiento en el clima. en comparación con la vegetación natural, debido precisamente a su nivel de albedo.
Los científicos calcularon a partir de un modelo de clima global, que seleccionando adecuadamente las plantas antes mencionadas, podría disminuir en 1 grado centígrado la temperatura en Europa y Euroasia, durante los meses de verano. Siendo la agricultura una actividad permanente a nivel mundial, el enfriamiento puede extenderse en todo el planeta.
Las plantas varían en su índice de albedo, por tener diferentes propiedades las superficies de su hojas y por la disposición de las mismas. Explican los investigadores que es posible aumentar el índice de albedo de esta plantas, modificandolas genéticamente sin afectar el rendimiento y la calidad de la producción agrícola.
Estudio muestra que la deformación del pavimento bajo las llantas del vehículo crea una conducción en subida que incrementa el consumo de combustible.
Denise Brehm, Ingeniería Civil y Ambiental. Original (en inglés).
Un nuevo estudio por ingenieros civiles en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) muestra que usar pavimentos más rígidos en los caminos de los Estados Unidos podría reducir el consumo de combustible de vehículos hasta en un tres por ciento – un ahorro que representaría 273 millones de barriles de petróleo crudo por año, o $15.6 miles de millones de dólares al precio del combustible de hoy en día. Esto sería acompañado por un decremento anual en emisiones de CO2 de 46.5 millones de toneladas métricas.
El estudio, lanzado en un reporte reciente revisado por expertos, es el primero en usar modelado matemático en lugar de experimentos en el camino para ver el efecto del deformado del pavimento sobre el consumo de combustible del vehículo a través de la red de caminos entera de los Estados Unidos. Un artículo sobre este trabajo también ha sido aceptado para su publicación más tarde este año en el Registro de Investigación de la Transportación.
Al modelar las fuerzas físicas trabajando cuando una llanta de caucho rueda sobre el pavimento, los autores del estudio, el profesor Franz-Josef Ulm y el estudiante de doctorado Mehdi Akbarian, concluyen que debido a la manera en que la energía es disipada, el máximo desvío de la carga está detrás de la trayectoria del viaje. Esto tiene como efecto el hacer que las ruedas del vehículo manejen continuamente hacia arriba en una ligera cuesta, lo que incrementa el uso del combustible.
La deformación bajo las ruedas es similar a la de la arena en la playa bajo el pie: Con cada paso, el pie entra en la arena de talón a dedos, requiriendo que el peatón gaste más energía que cuando está caminando en una superficie dura. En los caminos, incluso con un incremento de uno por ciento en el consumo adicional de energía deja una huella ambiental substancial. Pavimentos más rígidos – que pueden ser alcanzados al mejorar las propiedades de los materiales o incrementando el grosor de las capas de asfalto, cambiando a una capa de concreto o estructuras compuestas de asfalto y concreto, o cambiando el espesor o composición de las sub-capas del camino – reduciría la deformación y reduciría la huella.
“Este trabajo es literalmente donde la llanta toca el camino”, dice Ulm, profesor en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. “Tenemos que encontrar maneras de mejorar la huella ambiental de nuestra infraestructura de caminos, pero todos los estudios empíricos previos para determinar los ahorros de combustible veían el impacto de la dureza y el tipo de pavimento para algunos pocos escenarios no concluyentes, y los hallazgos a veces diferían por una orden de magnitud. ¿En dónde encuentras caminos idénticos en los mismos suelos bajo las mismas condiciones?, no puedes. Tienes efectos secundarios. El acercamiento empírico no funciona. Así que usamos análisis estadístico para evitar esos efectos secundarios.
El nuevo estudio define los parámetros clave involucrados en analizar las propiedades estructurales (grosor) y materiales (rigidez y tipo de subrasante) de pavimentos. El modelo matemático está por lo tanto basado en el comportamiento mecánico real de los pavimentos bajo carga. Para obtener sus resultados, Ulm y Akbarian alimentaron su modelo de datos de 5,643 secciones representativas de los caminos de los Estados Unidos tomadas de los conjuntos de datos de la Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos. Estos datos incluyen información sobre los materiales de la superficie y subyacentes de pavimentos y los suelos debajo, así como el número, tipo y peso de los vehículos usando los caminos. Los investigadores también calcularon e incorporaron el área de contacto de las llantas del vehículo con el pavimento.
Ulm y Akbarian estiman que los efectos combinados de la dureza del camino y la deformación son responsables por un promedio anual de consumo de combustible extra de 7,000 a 9,000 galones (26,498 litros a 34,069 litros) por cada 1,609 metros de carretera en caminos de alto volumen (sin incluir los caminos más pesadamente transitados) en los 13.68 millones de kilómetros de carreteras que forman la red de caminos en los Estados Unidos. Dicen que hasta el 80 por ciento del consumo extra de combustible, en exceso al uso normal de combustible de los vehículos, podría ser reducido a través de mejoras en las propiedades básicas del asfalto, concreto y otros materiales utilizados para construir los caminos.
“Estamos desperdiciando combustible innecesariamente porque el diseño del pavimento ha estado basado solamente en minimizar el costo inicial más que el desempeño – qué tan bien se mantiene el pavimento – cuando también se deberían tomar en consideración la huella ambiental de los pavimentos basado en variaciones de condiciones externas”, dice Akbarian. “Ahora podemos incluir los impactos ambientales, el desempeño del pavimento y – eventualmente – un modelo de costo para optimizar el diseño del pavimento y obtener el costo más bajo y el impacto ambiental más bajo con el mejor desempeño estructural”.
Los investigadores dicen que el costo inicial extra por mejores pavimentos rápidamente se pagaría a sí mismo no solo en eficiencia del camino y en emisiones de CO2 reducidas, sino también en costos de mantenimiento reducidos.
“Hay un concepto erróneo de que si quieres ser más amigable con el entorno tienes que gastar más dinero, pero eso no es necesariamente verdad”, dice Akbarian. “En mejor diseño del pavimento sobre el tiempo de vida ahorraría mucho más dinero en costos de combustibles que el costo inicial de las mejoras. Y los departamentos de transportación de los estados ahorrarían dinero mientras reducen su huella ambiental en el tiempo, porque los caminos no se deteriorarán tan rápido”.
Esta investigación fue conducida como parte del Centro de Sustentabilidad del Concreto (Concrete Sustainability Hub) en el MIT, que está patrocinado por la Asociación del Cemento de Portland y la Fundación de Investigación y Educación del Concreto Mezclado Listo, con la meta de mejorar la huella ambiental de esa industria.
“Este trabajo no es sobre el asfalto contra el concreto”, dice Ulm. “La meta final es hacer la infraestructura de nuestra nación más sustentable. Nuestro modelo ayudará a hacer esto posible al darle a los ingenieros del pavimento una herramienta para incluir sustentabilidad como un parámetro del diseño, al igual que la seguridad, el costo y la calidad del paseo”.
“Esta investigación del MIT es pionera de un rigoroso marco de trabajo matemático relacionando el consumo de combustible con la deformación del pavimento predicha matemáticamente. Este marco de trabajo deja un cimiento para el desarrollo continuo y la mejora futura de modelos avanzados de interacción pavimento-vehículo”, dice Lev Khazanovich, un profesor de ingeniería civil en la Universidad de Minnesota quien no estuvo involucrado en esta investigación. “La integración de los resultados de este estudio con la Guía de Diseño de Pavimento Mecanístico-Empírico recientemente adoptada por la Asociación Americana de Oficiales de Transportación de Carreteras Estatales permitirá a las agencias de transporte tomar en consideración el consumo de energía del tráfico en las decisiones de diseño del pavimento. Esto hace la investigación de Akbarian y Ulm especialmente importante el día de hoy a la luz de los esfuerzos de las agencias de transporte por reducir la huella ambiental del sistema de transportación”.
Membranas cerámicas podrían reducir las emisiones de dióxido de carbono de las plantas de energía basadas en gas y carbón.
Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).
Podría parecer contradictorio, pero una forma de reducir las emisiones de dióxido de carbono en la atmósfera podría ser producir dióxido de carbono puro en las plantas de energía que queman combustibles fósiles. De esta manera, los gases de invernadero – una vez aislados dentro de una planta – podrían ser capturados y almacenados en reservas naturales, profundas en la corteza terrestre.
Dicha tecnología de “captura-de-carbono” podría reducir significativamente las emisiones de gas de efecto invernadero de fuentes de energía baratas y abundantes como el carbón y el gas natural, y ayudar a minimizar la contribución de los combustibles fósiles al cambio climático. Pero extraer dióxido de carbono del resto de los residuos de las plantas de energía es ahora un proceso caro que requiere de cantidades inmensas de energía, químicos especiales y equipo extra.
Ahora investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), están evaluando un sistema que elimina eficientemente el nitrógeno del proceso de combustión, dejando fluir dióxido de carbono puro después de remover otros residuos de la combustión como agua y otros gases. La pieza central del sistema es una membrana cerámica usada para separar oxígeno del aire. Quemar combustibles fósiles en oxígeno puro, en oposición al aire – un proceso conocido como combustión oxicombustible (oxyfuel) – puede dejar un flujo puro de dióxido de carbono.
Los investigadores han construido un reactor a escala en su laboratorio para probar la tecnología de membrana y han comenzado estableciendo parámetros para operar las membranas bajo las condiciones extremas encontradas dentro de una planta de energía convencional. Los resultados del grupo aparecerán en el Journal of Membrane Sciences (Diario de Ciencias de Membranas), y serán presentados en el Simposio Internacional sobre Combustión en Agosto.
Ahmed Ghoniem, el profesor de ingeniería en el MIT, dice que la tecnología de membranas cerámicas podría ser una solución económica y ahorradora de energía para capturar dióxido de carbono.
“En lo que estamos trabajando es en hacer esta separación en una forma muy eficiente, y esperamos que por el menor costo”, dice Ghoniem. “El solo objetivo detrás de esta tecnología es continuar usando combustibles fósiles baratos y disponibles, producir electricidad a un bajo costo y de manera conveniente, pero sin emitir tanto CO2 como lo hemos estado haciendo”.
El grupo de Ghoniem está trabajando con otros colegas en el MIT, junto con fabricantes de membranas, para desarrollar esta tecnología y establecer lineamientos para escalarla e implementar en plantas de energía futuras. La investigación está en línea con el trabajo previo del grupo, en el que demostraron una nueva tecnología llamada combustión de oxicombustible presurizado (pressurized oxyfuel combustion) que han mostrado que mejora la eficiencia de conversión y reduce el consumo de combustible.
Alimentando con oxígeno puro
El aire que respiramos está compuesto principalmente de nitrógeno (78 por ciento) y oxígeno (21 por ciento). El proceso típico para separar el oxígeno del nitrógeno involucra una unidad criogénica que enfría el aire entrante a una temperatura lo suficientemente baja para licuar el oxígeno. Mientras que la técnica de congelamiento produce un flujo puro de oxígeno, el proceso es caro y voluminoso, y consume energía considerable, que podría mermar la salida de una planta de energía.
Ghoniem dice que las membranas cerámicas que proveen el oxígeno necesario para el proceso de combustión podrían operar mucho más eficientemente, usando menos energía para producir oxígeno puro y finalmente capturar dióxido de carbono. Él vislumbra el uso de la tecnología tanto en nuevas plantas de energía como una mejora para las plantas existentes para reducir las emisiones de dióxido de carbono.
Las membranas cerámicas son materiales selectivamente permeables a través de los cuales solo el oxígeno puede fluir. Estas membranas, hechas de óxidos metálicos como aluminio y titanio, pueden resistir temperaturas extremadamente altas – una gran ventaja en lo que respecta a operarlas en los duros entornos de una planta de energía. Membranas cerámicas separan oxígeno a través de un mecanismo llamado transporte de iones, donde los iones de oxígeno fluyen a través de una membrana, atraídas al lado de la membrana con menos oxígeno.
Una solución dos-en-uno
Ghoniem y sus colegas construyeron un reactor a escala con membranas cerámicas y estudiaron el flujo resultante de oxígeno. Observaron que conforme el aire pasa a través de una membrana, el oxígeno se acumula en el lado opuesto, finalmente alentando el proceso de separación de aire. Para evitar esta acumulación de oxígeno, el grupo construyó un sistema de combustión en su reactor modelo. Encontraron que con este sistema dos en uno, el oxígeno pasa a través de la membrana y se mezcla con el flujo de combustible en el otro lado, quemándolo y generando calor. El combustible quema el oxígeno, haciendo espacio para que fluya más oxígeno a través. Ghoniem dice que el sistema es una situación “ganancia-ganancia,” permitiendo la separación de oxígeno del aire mientras la combustión toma lugar en el mismo espacio.
“Resultó ser una manera inteligente de hacer las cosas”, dice Ghoniem. “El sistema es más compacto, porque en el mismo lugar donde hacemos la separación, también quemamos. Así que estamos integrando todo, y estamos reduciendo la complejidad, la penalidad energética, y la penalidad económica de quemar oxígeno puro y producir un flujo de dióxido de carbono”.
El grupo está ahora probando el rendimiento del sistema a diversas temperaturas, presiones y condiciones de combustible usando su arreglo de laboratorio. También han diseñado un modelo cumputacional complejo para simular cómo el sistema funcionaría a mayor escala, en una planta de energía. Encontraron que el flujo de oxígeno a través de la membrana depende de la temperatura de la membrana: Mientras más alta es la temperatura en el lado de la combustión del sistema, más rápido el oxígeno fluye a través de la membrana, y más rápido se quema el combustible. También encontraron que aunque la temperatura del gas podría exceder lo que el material puede tolerar, el flujo de gas actúa para proteger la membrana.
“Estamos aprendiendo lo suficiente sobre el sistema que si deseamos escalarlo e implementarlo en una planta de energía, entonces es posible”, dice Ghoniem. “Estas son obviamente plantas de energía complicadas, que requieren componentes de mucha más alta tecnología, porque pueden hacer mucho más de lo que las plantas hacen ahora. Tenemos que mostrar que los [nuevos] diseños son duraderos, y entonces convencer a la industria a tomar estas ideas y usarlas”.
El trabajo de laboratorio y los modelos desarrollados en el grupo de Ghoniem harán posible el diseño de sistemas de combustión más grandes para plantas de megawatts.
Madhaba Syamlal, líder del area de ciencias computacionales y básicas en el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (National Energy Technology Laboratory), dice que las simulaciones como las de Ghoniem ayudarán a impulsar la próxima generación de tecnología como las membranas de separación de oxígeno en las plantas de energía. “Hemos visto que en otras áreas, como la aviación, simulaciones pueden realmente mejorar cómo el producto es desarrollado”, dice Syamlal. “Puedes usar simulaciones e incluso saltar algunos de las pruebas intermedias e ir directamente a diseñar y construir una máquina. En la industria energética, estas son las piezas que necesitamos para incrementar la escala muy rápidamente”.
El grupo de Ghoniem incluye al científico investigador Patrick Kirchen y a los estudiantes graduados James Hong y Anton Hunt, en colaboración con el maestro en la Universidad King Fahed del Petróleo y Minerales (KFUPM – King Fahed University of Petroleum and Minerals) en Arabia Saudita. La investigación fue patrocinada por KFUPM y la Universidad King Abdullah de Ciencia y Tecnología.
Las plantas están hojeando antes y la floración cada año es más pronto de lo previsto, según resultados de experimentos controlados de calentamiento del medio ambiente, de acuerdo a los datos de un archivo nuevo e importante de observaciones históricas reunidas con la ayuda de un investigador de la NASA.
Los investigadores utilizan experimentos que manipulan la temperatura del medio ambiente rodeando pequeñas parcelas de plantas para medir cómo plantas específicas van a reaccionar a temperaturas altas. La respuesta de las plantas observadas pueden ser incorporadas en modelos que predicen los futuros cambios del ecosistema ya que las temperaturas en todo el mundo siguen aumentando. Pero cuando un grupo de científicos compararon estos resultados a un archivo nuevo y enorme de observaciones históricas, se encontraron con que los experimentos de calentamiento están dramáticamente subestimando cómo las plantas responden al cambio climático.
Los resultados fueron publicados en línea en la revista Nature el 2 de Mayo. Además de cuantificar cómo una amplia colección de especies de plantas han respondido hasta la fecha para el aumento de temperaturas, el estudio sugiere que la forma en que los experimentos de calentamiento son llevados a cabo necesita ser re-evaluada.
Cerezos en flor en Washington, DC han estado floreciendo más temprano en las últimas décadas, incluyendo una floración temprana esta primavera en marzo (en la foto). (Crédito: Elizabeth Wolkovich, Centro de Investigación de la Biodiversidad, Universidad de British Columbia de Vancouver)
“Esto sugiere que los cambios previstos en los ecosistemas, incluyendo los continuos avances en el inicio de la primavera a través de gran parte del mundo puede ser mucho mayor que las estimadas sobre la base de datos de los experimentos de calentamiento”, dijo Elizabeth Wolkovich, quién dirigió el equipo interdisciplinario de científicos detrás de la nueva investigación mientras que ella era una becaria postdoctoral en la Universidad de California, en San Diego. “Registros a largo plazo muestran que la fenología está cambiando mucho más rápido de lo estimado sobre la base de los resultados de los experimentos de calentamiento. Esto sugiere que necesitamos revalorar cómo diseñamos y utilizamos los resultados de estos experimentos”.
Benjamin Cook, del Instituto Goddard de la NASA y de Estudios Espaciales de la Universidad de Columbia, Nueva York, trabajó con Wolkovich para crear el nuevo archivo masivo a largo plazo, observaciones fenológicas naturales para evaluar la precisión de las predicciones fenológicas basadas en experimentos de calentamiento de estas plantas. El archivo incluye datos de 1,558 especies de las plantas silvestres en cuatro continentes. Los registros históricos muestran que la foliación y la floración avanzará, en promedio, cinco o seis días por cada grado Celsius – un hallazgo que era consistente en todas las especies y conjunto de datos. Estos datos muestran que las estimaciones basadas en datos de experimentos de calentamiento están bajo la predicción de los avances en la floración por los tiempos de ocho veces y medio, y los avances en hojear por cuatro veces. Los autores esperan los archivos de datos para que sea un punto de referencia importante en los estudios fenológicos en el futuro.
“Estos resultados son importantes debido a que dependen en gran medida de experimentos de calentamiento para predecir lo que sucederá a ecosistemas en el futuro”, dijo Cook, que ayudó a reunir a un equipo de investigación incluyendo el apoyo del Centro Nacional de Análisis y Síntesis Ecológicos para construir el archivo de observaciones del mundo real. “Con estos registros de observación a largo plazo, que pueden ser capaces de recoger un cambio en una comunidad de plantas en unos pocos años, que no se puede observar en un experimento”.
Experimentos recientes no incluidos en el estudio, utilizando técnicas de calentamiento para reflejar ciclos naturales de temperatura diaria y estacional.(Crédito: Jeff Dukes, de la Universidad de Purdue)
El estudio de la fenología, el calendario de eventos anuales de las plantas tales como la primera floración y la foliación de primavera, ofrece una de las respuestas más consistentes y visibles al cambio climático. Los registros históricos a largo plazo, algunos que se extienden a varias décadas e incluso siglos, muestran que muchas especies están ahora floreciendo y hojeando antes, en el paso con el aumento de las temperaturas. Debido a que estos registros no están disponibles en todas partes y el pronóstico de calentamiento futuro está a menudo fuera del alcance de los registros históricos, los ecologistas suelen utilizar experimentos controlados que crean condiciones más cálidas en pequeñas parcelas para estimar cómo las diferentes especies responderán a los aumentos de temperatura esperados.
El calendario de floración y foliación de plantas en la primavera no es solo un indicador básico natural del estado del clima. La predicción de respuestas de las plantas al cambio climático tiene importantes consecuencias para el suministro de agua humano, polinización de los cultivos y la salud global del ecosistema.
Wolkovich, Cook y colegas sugieren una serie de razones posibles basados en las estimaciones de datos experimentales que han subestimado la respuesta de la planta a temperaturas más altas. Podría haber efectos adicionales del cambio climático no reflejados en los experimentos controlados o del hecho de que los métodos utilizados para crear calor, en los estudios se podría crear efectos neutralizantes tales como desecación de suelos o reduciendo la cantidad de luz solar que llega a las plantas.
“Esfuerzos continuos para mejarar el diseño de los experimentos de calentamiento mientras se mantiene y extiende a largo plazo un monitoreo histórico será fundamental para determinar con precisión las razones de las diferencias, y dará una imagen más precisa de las comunidades vegetales en el futuro y ecosistemas con cambios climáticos continuos”, dijo Wolkovich.
La frágil y rápidamente cambiante región Ártica es hogar de grandes reservas de metano, un potente gas de invernadero. Conforme el clima calienta la tierra, el metano, congelado en depósitos almacenados en suelos de la tundra del Ártico o en sedimentos marinos, es vulnerable a ser liberado en la atmósfera, donde se sumaría al calentamiento global. Ahora un estudio multi-institucional por Eric Kort del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, en Pasadena, California, ha descubierto una sorprendente y potencialmente importante nueva fuente de metano del Ártico: el Océano mismo.
Kort, un escolar posdoctorado de JPL afiliado con el Instituto Keck de Estudios Espaciales en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, lideró el análisis mientras era un estudiante en la Universidad de Harvard, en Cambridge, Massachusetts. El estudio fue conducido como parte de la campaña aérea de Observaciones Polo-a-Polo HIAPER (HIPPO – HIAPER Pole-to-Pole Observations), que voló aviones Gulfstream V equipados especialmente de la Fundación Nacional de Ciencia (NSF)/Centro Nacional para la Investigación Atmosférica (NCAR) sobre el océano pacífico de casi polo a polo, recolectando mediciones atmosféricas de la superficie terrestre a una altitud de 8.7 millas (14 kilómetros). La campaña, principalmente patrocinada por la NSF con fondos adicionales de NCAR, NASA y la Administracíón Nacional Oceánica y Atmosférica, fue diseñada para mejorar nuestro entendimiento de donde se están originando y almacenando los gases de invernadero en el sistema terrestre.
Durante cinco vuelos HIPPO sobre el Ártico de 2009 a 2010, el equipo de Kort observó aumentar los niveles del metano mientras volaba a baja altura por el control remoto del Océano Ártico, al norte de los Mares de Chukchi y Beaufort. El nivel de metano era alrededor de un medio por ciento mayor que los niveles normales de fondo.
Pero ¿de dónde venía el metano? El equipo no detectó monóxido de carbono en la atmósfera que apuntaría a las posibles contribuciones de actividades de combustión humana. Además, en base en la época del año, la ubicación y naturaleza de las emisiones, que era muy poco probable que el metano provenía de los humedales de altas latitudes o depósitos geológicos.
Comparando ubicaciones de los niveles aumentados de metano con mediciones en el aire de monóxido de carbono, vapor de agua y ozono, se identificó con exactitud una fuente: la superficie del Océano, a través de grietas en el hielo marino del Ártico y áreas del mar parcialmente cubiertas de hielo. Las grietas exponen agua de mar abierto del Ártico, permitiendo al Océano interactuar con el aire, y el metano en las aguas superficiales para escapar a la atmósfera. El equipo no detectó aumento de los niveles de metano al sobrevolar las zonas de hielo sólido.
Kort dijo que los estudios previos por otros habían medido las altas concentraciones de metano en las aguas superficiales del Ártico, pero antes de ahora nadie había predicho que estos niveles aumentados de metano oceánico encontrarían un camino hacia la atmósfera.
¿Cómo se está produciendo el metano? Los científicos aún no están seguros, pero Kort sugirió que la producción biológica de cosas vivientes en las aguas superficiales del Ártico podría ser la culpable. “Es posible que conforme grandes áreas de hielo oceánico se fundan y expongan más agua oceánica, la producción pueda incrementarse, llevando a emisiones de metano más grandes”, dijo. Dijo que estudios futuros serán necesarios para entender los niveles aumentados de metano y los procesos de emisión asociados y para medir la contribución total a los niveles promedio de metano Ártico.
“Si bien los niveles de metano que detectamos no fueron particularmente grandes, la región fuente potencial, el Océano Ártico, es enorme, por lo que nuestro hallazgo podría representar una nueva fuente apreciable global de metano”, añadió. “A medida que la capa de hielo marino en el Ártico continúa reduciéndose en un clima más cálido, esta fuente de metano también puede aumentar. Es importante que reconozcamos la contribución potencial de esta fuente de metano para evitar falsas interpretaciones de los cambios observados en los niveles de metano del Ártico en el futuro”.
El estudio, publicado el 22 de abril en Nature Geoscience, incluyó participación de JPL y Caltech; NSF; el Laboratorio de Investigación de Sistemas Terrestres de NOAA; El Instituto Cooperativo para la Investigación de Ciencias Ambientales de la Universidad de Colorado; La Universidad de Harvard; La Universidad de Princeton; La Universidad Nacional de Bogotá Colombia; y la Corporación de Ciencia y Tecnología. JPL es una división de Caltech.
Image: Michael Szulczewski, of the Juanes Research Group, MIT
Un nuevo análisis del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) muestra que hay suficiente espacio para guardar seguramente al menos un siglo de emisiones de combustibles fósiles de los Estados Unidos
David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).
Un nuevo estudio por investigadores del MIT muestra que hay la suficiente capacidad en acuíferos salinos profundos en los Estados Unidos para guardar al menos un siglo de emisiones de dióxido de carbono de las plantas eléctricas que queman carbón. Aunque quedan preguntas sobre la economía de sistemas para capturar y guardar dichos gases, este estudio se enfoca en un problema principal que ha dejado en la sombra dichas propuestas.
El análisis del equipo del MIT – liderado por Ruben Juanes, un profesor asociado en Estudios Energéticos en el Departamento de Ingeniería Civil y del Entorno, y parte del trabajo de tesis doctoral de los estudiantes graduados Christopher MacMinn y Michael Szulczewski – será publicado esta semana en el Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Las plantas eléctricas que queman carbón generan alrededor del 40% de las emisiones de carbono en el mundo, entonces el cambio climático “no será abordado a menos que se lidie con las emisiones de dióxido de carbono de plantas de carbón”, dice Juanes. “Debemos hacer muchas cosas diferentes” como desarrollar alternativas nuevas y más limpias, dice, “pero una cosa que no va a irse es el carbón”, por que es una fuente de poder barata y ampliamente disponible.
Esfuerzos para reducir los gases de invernadero se han enfocado principalmente en la búsqueda de fuentes de energía prácticas y económicas, como el viento o energía solar. Pero las emisiones humanas son ahora tan vastas que muchos analistas piensan que es improbable que estas tecnologías solas puedan resolver el problema. Algunos han propuesto sistemas para capturar emisiones – principalmente dióxido de carbono del quemado de combustibles fósiles – entonces comprimirlas y guardar el desecho en formaciones geológicas profundas. Este acercamiento es conocido como captura y almacenaje de carbón, o CSS (carbon capture and storage).
Uno de los lugares más prometedores para almacenar el gas es en los profundos acuíferos salinos: aquellos más de una milla debajo de la superficie, muy por debajo de las fuentes de agua dulce usadas para consumo humano y agricultura. Pero los estimados de la capacidad de dichas formaciones en los Estados Unidos han variado desde guardar solo algunos años de emisiones de plantas de carbón hasta muchos miles de años de emisiones.
La razón para la enorme disparidad en las estimaciones es por dos causas. Primera, por que los acuíferos salinos profundos no tienen valor comercial, ha habido poca exploración para determinar su extensión. Segunda, la dinámica de fluidos de cómo el dióxido de carbono concentrado y licuado se esparciría a través de dichas formaciones es muy compleja y difícil de modelar. La mayoría de los análisis simplemente estimaron el volumen promedio de las formaciones, sin considerar la dinámica de cómo el CO2 las infiltraría.
El equipo del MIT modeló cómo el dióxido de carbono se filtraría a través de la roca, tomando en cuenta no solo la capacidad final de las formaciones sino la tasa de inyección que podría sustentarse en el tiempo. “La clave es capturar las físicas esenciales del problema”, dice Szulczewski, “pero simplificándolo lo suficiente para poder aplicarlo al país entero”. Eso significó ver los detalles de los mecanismos de captura en la roca porosa a la escala de los micrones, entonces aplicando ese entendimiento a formaciones en un espacio de cientos de millas.
“Comenzamos con el grupo complicado completo de ecuaciones para el flujo fluídico, y entonces lo simplificamos”, dice MacMinn. Otros estimados han tendido a sobresimplificar el problema, “perdiendo algunas de las sutilezas de la física”, dice. Mientras que este análisis se enfocó en los Estados Unidos, MacMinn dice que capacidades de almacenamiento similares seguramente existen alrededor del mundo.
Howard Herzog, un investigador ingeniero principal con la Iniciativa de Energía del MIT y co-autor de la revista académica del PNAS, dice que este estudio “demuestra que la tasa de inyección de CO2 en una reserva es un parámetro crítico al hacer estimados de almacenamiento”.
Cuando está licuado el dióxido de carbono es disuelto en el agua salada, el fluido resultante es más denso que cualquiera de los componentes, así que se hunde naturalmente. Es un proceso lento, pero “una vez que el dióxido de carbono está disuelto, has ganado el juego”, dice Juanes, por que la mezcla densa y pesado es casi seguro que nunca volverá a escapar de vuelta a la atmósfera.
Mientras que este estudio no tomó en consideración el costo de los sistemas CCS, muchos analistas han concluido que podrían agregar de un 15 a un 30 por ciento al costo de la electricidad generada con carbón, y no sería viable a menos que un impuesto al carbono o un límite a las emisiones de carbono fuera implementado.
Franklin Orr Jr., un profesor de ciencias de la tierra y director del Instituto Precourt para la Energía en la Universidad de Stanford, dice, “La contribución importante de este trabajo es que agrega consideración de la tasa de inyección de CO2, por que puede ser restringido por el aumento de la presión en los acuíferos salinos profundos. Esta revista académica provee evidencia que aún cuando esas restricciones son consideradas hay mucha capacidad de almacenamiento. Esa es una contribución muy útil”.
James J. Dooley, un científico principal en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico quien no estuvo involucrado en el estudio del MIT, lo llamó “un muy buen análisis que demuestra que dadas las condiciones regulatorias y económicas apropiadas, las tecnologías de captura y almacenamiento del dióxido de carbono pueden ser la base de reducciones de gases de invernadero profundas y sostenidas en los Estados Unidos y alrededor del mundo”.
Mientras que quedan incertidumbres, “Realmente pienso que CSS tiene un papel que jugar”, dice Juanes. “No es la última salvación, es un puente, pero podría ser esencial por que realmente puede afrontar las emisiones de carbón y gas natural”.
La investigación fue apoyada por fondos del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Iniciativa de Energía del MIT, el Fondo de Investigación Reed, la Sociedad de Becarios de la Familia Martin para la Sustentabilidad y la Cátedra de Estudios de Energía ARCO.
Esta película fue creada con el GOES-13, las imágenes vía satélite visibles e infrarrojas del 28 de febrero a las 6:45 a.m. tiempo central de México (12:45 UTC), al 1 de Marzo, donde se muestra la progresión del frente frío y una zona de baja presión asociada que se mueve sobre el centro de los Estados Unidos, que ha provocado al menos 20 tornados y tiempo severo el 29 de Febrero de 2012.
Un modelo de circulación actualizado revela que el Océano Antártico tiene una poderosa influencia en el cambio climático.
Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).
Los océanos del mundo actúan como una cinta transportadora masiva, circulando calor, agua y carbono alrededor del planeta. Este sistema global juega un papel principal en el cambio climático, almacenando y liberando calor a través del mundo. Para estudiar como afectan estos sistemas el cambio climático, científicos se han enfocado principalmente en el Atlántico norte, una cuenca enorme donde el agua se hunde, enterrando carbón y calor en las profundidades interiores del Océano.
Pero lo que baja debe subir, y ha sido un misterio dónde y cómo, circulan las aguas profundas de vuelta a la superficie. Llenar esta pieza faltante de la circulación, y desarrollar teorías y modelos que la capturen, podría ayudarle a los investigadores a entender y predecir el papel del océano en el clima y el cambio climático.
Recientemente, científicos encontraron evidencia de que la pieza faltante podría encontrarse en el Océano Antártico – la vasta cinta de agua que rodea la Antártica. El Océano Antártico, de acuerdo a observaciones y modelos, es un sitio donde fuertes vientos que soplan junto con la Corriente Circumpolar Antártica dragan aguas desde las profundidades.
“Hay mucho carbono y calor en el océano interior”, dijo John Marshall, el Profesor de Oceanografía del Cecil e Ida Green en el MIT. “El Océano Antártico es la ventana por la cual el interior del océano se conecta a la atmósfera encima”.
Marshall y Kevin Speer, un profesor de oceanografía física en la Universidad Estatal de Florida, han publicado una revista académica en “Nature Geoscience” en la que revisan trabajo pasado, examinan la influencia del Océano Antártico en el clima, y dibujan un nuevo esquema para la circulación del océano.
Una banda transportadora revisada
Por décadas, un modelo de “banda transportadora” (circulación termohalina o CTH), desarrollado por el paleoclimatólogo Wallace Broecker, ha servido como un simple dibujo de la circulación del océano. El diagrama muestra agua templada moviéndose hacia el norte, sumergiéndose profundamente en el Atlántico Norte; entonces dirigiéndose al sur como agua fría hacia la antártica; entonces de vuelta al norte, donde el agua se eleva y es calentada por el Pacífico Norte.
Sin embargo, la evidencia ha mostrado que las aguas se elevan a la superficie no tanto en el Pacífico Norte sino en el Océano Antártico – una distinción que Marshall y Speer ilustran en su diagrama actualizado.
Océano Antártico. Imagen: John Marshall y Kevin Speer
Marshall dice que los vientos y remolinos a través del Océano Antártico draga aguas profundas – y cualquier carbón enterrado – a la superficie alrededor de la Antártica. Él y Speer escriben que el diagrama actualizado “trae el Océano Antártico al frente” del sistema de circulación global, remarcando su papel como un poderoso mediador climático.
De hecho, Marshall y Speer revisan evidencia de que el Océano Antártico podría haber jugado parte en el deshielo del planeta durante la última edad de hielo. Mientras que aún no está claro que causó que la tierra se calentara inicialmente, este calentamiento podría haber llevado patrones de viento superficial hacia los polos, sacando agua templada y carbón – que habría sido lanzado hacia la atmósfera, calentando el clima aún más.
Vientos cambiantes
En un mundo en enfriamiento, parece que los vientos se acercan ligeramente al ecuador, y son sacudidos por los continentes. En un mundo en calentamiento, lo vientos se acercan hacia los polos; en el Océano Antártico, los vientos, sin ningún impedimento, sacan aguas profundas. Los investigadores notan que dos tendencias atmosféricas provocadas por los hombres – agotamiento de ozono y gases de efecto invernadero de combustibles fósiles – tienen un largo efecto en los vientos sobre el Océano Antártico: mientras que el agujero en la capa de ozono se recupera, los gases de efecto invernadero aumentan y el planeta se calienta, los vientos sobre el Océano Antártico es muy probable que cambien, afectando el delicado balance en juego. En el futuro, si el Océano Antártico experimente vientos más fuertes desplazados ligeramente al sur de su posición actual, las capas de hielo de la Antártica son más vulnerables al derretimiento – un fenómeno que también pudo haber contribuido a terminar la edad de hielo.
“Hay enormes reservas de carbono en el interior del océano”, dijo Marshall. “Si el clima cambia y vuelve más fácil que el carbono llegue a la atmósfera, entonces habrá un efecto de calentamiento adicional”.
Jorge Sarmiento, un profesor de ciencias atmosféricas y oceánicas en la Universidad de Princeton, dice que el Océano Antártico ha sido un área difícil de estudiar. Para entender completamente la dinámica del Océano Antártico se requieren modelos con alta resolución – un desafío significativo, dado el tamaño del océano.
“Por qué es tan difícil observar el Océano Antártico, aún estamos en el proceso de aprender cosas”, dijo Sarmiento, quien no estuvo involucrado en esta investigación. “Así que pienso que es una buena representación de nuestro entendimiento actual, basado en modelos y observaciones, y será la piedra angular para desarrollos futuros en el campo”.
Marshall y Speer trabajan ahora en un equipo multi-institucional liderado por el colaborador del MIT, la Institución Oceanográfica Woods Hole, para medir cómo las aguas se elevan en el Océano Antártico. Los investigadores están estudiando el flujo provocado por remolinos en la Corriente Circumpolar Antártica, y han desplegado rastreadores y boyas profundas para medir sus efectos; temperatura, salinidad y contenido de oxígeno en el agua también ayudarán a decir cómo se comportan los remolinos, y que tan rápido o lento se eleva el agua cálida a la superficie.
“Cualquier perturbación que se haga a la atmósfera, ya sea debido a ciclos glaciales o al forzado de ozono o gases de efecto invernadero, puede cambiar el balance sobre el Océano Antártico”, dijo Marshall. “Tenemos que entender como funciona el Océano Antártico en el sistema climático y tomar esto en consideración”.
Debido al calentamiento global causado por los gases de efecto invernadero, hay probabilidades de que aumenten los cambios de temperatura en horarios de verano alrededor del mundo a finales de este siglo, esto tendrá serios efectos en la producción de alimentos, como en los cultivos de cereales: arroz, maíz y soya, en regiones de Europa, América del Norte y América del Sur.
En la actualidad los modelos climáticos no reflejan de forma adecuada la retroalimentación de la relación atmósfera y suelo, que conlleva a subestimar estos aumentos en temperaturas del horario de verano.
La producción de arroz en los trópicos ya se está viendo afectada por las altas temperaturas, y se cree que si otros factores continuan iguales, podría reducir la producción de cereales como de arroz, maíz y soya en un 30 o 40 por ciento.
“Si hay mayor variabilidad, las probabilidades de que la temperatura sea tan alta que no se pueda crecer un cultivo son mayores, En términos de seguridad alimentaria regional y mundial, no es buena noticia”, dijo David Battisti, profesor de ciencias atmosféricas de la Universidad de Washington.
Desde hace tiempo se sospechaba que el`calentamiento global estaba afectando a árboles, sobre todo el valioso Cedro Amarillo en Panhandle, Alaska, habiendo sido confirmado por los investigadores del Servicio Forestal de Estados Unidos.
El Cedro amarillo puede vivir más de 1,000 años, con una resistencia a insectos, putrefacción y además puede defenderse contra lesiones, pero su vulnerabilidad reside en sus raíces poco profundas, si no están aisladas por la nieve, estas pueden congelarse. Esto ha sucedido por más de un siglo, con menos nieve en el suelo sus raíces congeladas han causado su muerte, Afectando cerca de medio millón de acres en el sureste de Alaska, así como otras 123,000 hectáreas en el vecino país de Columbia Británica.
La investigación de la muerte de los árboles servirá a los administradores forestales para buscar un lugar donde el Cedro amarillo pueda tener el clima al que está acostumbrado para sobrevivir y sus raíces puedan resistir, así mismo la experiencia de lo sucedido a este árbol, muestra la gran importancia que el cambio climático jugará en la conservación de los bosques.
