Carbono negro

El carbono negro se encuentra en todo el mundo, pero su presencia e impacto son particularmente fuertes en Asia.

Químicamente, el carbono negro es un componente de las partículas en suspensión finas (PM ≤ 2,5 µm de diámetro aerodinámico). El carbono negro consta de carbono puro en varias formas enlazadas. Se forma a través de la combustión incompleta de combustibles fósiles, biocombustibles y biomasa, y es uno de los principales tipos de partículas​ tanto en el hollín antropogénico como en el natural.​ El carbono negro causa morbilidad humana y mortalidad prematura. Debido a estos impactos en la salud humana, muchos países han trabajado para reducir sus emisiones, convirtiéndolo en un contaminante fácil de reducir en fuentes antropogénicas.

En climatología, el carbono negro es un agente que contribuye al calentamiento global, con efectos directos e indirectos. El carbono negro absorbe la luz solar y reduce el albedo cuando se deposita sobre la nieve y el hielo. De manera indirecta, el carbono negro contribuye al calentamiento global mediante la interacción con las nubes, con un forzamiento total de 1,1 W/m ².​ El carbono negro permanece en la atmósfera durante varios días o semanas, a diferencia de otros gases de efecto invernadero que tienen ciclos de vida más largos.​ El IPCC y otros investigadores en cambio climático han postulado que reducir el carbono negro es una de las formas más fáciles de frenar el calentamiento global a corto plazo.​​

El término carbono negro también se usa en las ciencias del suelo y la geología, refiriéndose al carbono negro atmosférico depositado o al carbono negro incorporado directamente de los incendios de la vegetación.​​ Especialmente en los trópicos, el carbono negro en los suelos contribuye significativamente a la fertilidad, ya que es capaz de absorber importantes nutrientes de las plantas.​

Resumen

Faraday reconoció que el hollín estaba compuesto de carbono y que se producía por la combustión incompleta de combustibles que contienen carbono.​ El término carbono negro fue acuñado en la década de 1970 por Tihomir Novakov, a quien James Hansen llamó "el padrino de los estudios del carbono negro".​ El humo o el hollín fue el primer contaminante reconocido por tener un impacto ambiental significativo, pero uno de los últimos en ser estudiado por la comunidad de investigación atmosférica contemporánea.

El hollín se compone de una mezcla compleja de compuestos orgánicos que se absorben débilmente en la región espectral visible y un componente negro altamente absorbente que se denomina de diversas formas como "carbono elemental", "carbono grafítico" o "carbono negro". El término carbono elemental se ha utilizado junto con determinaciones químicas térmicas y húmedas, y el término carbono grafítico sugiere la presencia de estructuras microcristalinas similares al grafito en el hollín, como lo demuestra la espectroscopía Raman.​ El término carbono negro se utiliza para implicar que este componente del hollín es el principal responsable de la absorción de la luz visible.​​ El término carbono negro se utiliza a veces como sinónimo del componente grafítico y elemental del hollín.​ Puede medirse utilizando diferentes tipos de dispositivos basados en la absorción o dispersión de un haz de luz o derivado de mediciones de ruido. ​

Intentos tempranos de mitigación

Los efectos desastrosos de la contaminación del carbono negro sobre la salud y la mortalidad humanas a principios de la década de 1950 en Londres llevaron a la Ley de Aire Limpio del Reino Unido de 1956. Este acto condujo a reducciones drásticas de las concentraciones de hollín en el Reino Unido, seguidas de reducciones similares en ciudades estadounidenses como Pittsburgh y St. Louis. Estas reducciones se lograron en gran medida mediante la disminución del uso de carbón blando para calefacción doméstica al cambiar a carbón "sin humo" u otras formas de combustible, como fueloil y gas natural. La reducción constante de la contaminación por humo en las ciudades industriales de Europa y Estados Unidos provocó un cambio en el énfasis de la investigación que se alejó de las emisiones de hollín y la negligencia casi total del carbono negro como un componente de aerosol significativo, al menos en los Estados Unidos.

Sin embargo, en la década de 1970, una serie de estudios cambió sustancialmente este panorama y demostró que el carbono negro y los componentes orgánicos del hollín seguían siendo un componente importante de los aerosoles urbanos en los Estados Unidos y Europa,​​​ lo que condujo a mejores controles de estas emisiones. En las regiones menos desarrolladas del mundo donde había controles limitados o nulos sobre las emisiones de hollín, la calidad del aire continuó degradándose a medida que aumentaba la población. En general, no se comprendió hasta muchos años después que, desde la perspectiva de los efectos globales, las emisiones de estas regiones eran extremadamente importantes.

Influencia en la atmósfera terrestre

La mayoría de los desarrollos mencionados anteriormente se relacionan con la calidad del aire en atmósferas urbanas. Los primeros indicios del papel del carbono negro en un contexto global más amplio provienen de estudios del fenómeno de la neblina ártica.​ Se identificó carbono negro en los aerosoles en la neblina del Ártico​ y en la nieve del Ártico.​

En general, las partículas de aerosol pueden afectar el equilibrio de la radiación provocando un efecto de enfriamiento o calentamiento con la magnitud y el signo del cambio de temperatura que dependen en gran medida de las propiedades ópticas del aerosol, las concentraciones de aerosol y el albedo de la superficie subyacente. Un aerosol de dispersión pura reflejará la energía que normalmente sería absorbida por el sistema tierra-atmósfera de regreso al espacio y producirá un efecto de enfriamiento. A medida que se agrega un componente absorbente al aerosol, puede provocar un calentamiento del sistema tierra-atmósfera si la reflectividad de la superficie subyacente es suficientemente alta.

Los primeros estudios de los efectos de los aerosoles en la transferencia radiativa atmosférica a escala mundial asumieron un aerosol de dispersión dominante con solo un pequeño componente absorbente, ya que esto parece ser una buena representación de los aerosoles de origen natural. Sin embargo, como se discutió anteriormente, los aerosoles urbanos tienen un gran componente de carbono negro y si estas partículas se pueden transportar a escala global, se esperaría un efecto de calentamiento sobre superficies con un alto albedo superficial como la nieve o el hielo. Además, si estas partículas se depositan en la nieve, se produciría un efecto de calentamiento adicional debido a reducciones en el albedo de la superficie.

Medición y modelado de la distribución espacial

Los niveles de carbono negro se determinan con mayor frecuencia basándose en la modificación de las propiedades ópticas de un filtro de fibra por partículas depositadas. Se mide la transmitancia del filtro, la reflectancia del filtro o una combinación de transmitancia y reflectancia. Los etalómetros son dispositivos de uso frecuente que detectan ópticamente la absorción cambiante de la luz transmitida a través de un billete de filtro. Un fotómetro de absorción de múltiples ángulos tiene en cuenta tanto la luz transmitida como la reflejada. Los métodos alternativos se basan en mediciones de profundidad óptica basadas en satélites para grandes áreas o, más recientemente, en análisis de ruido espectral para concentraciones muy locales.​

A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, se observaron concentraciones sorprendentemente grandes de carbono negro a nivel del suelo en todo el Ártico occidental.​ Los estudios de modelado indicaron que podrían provocar un calentamiento sobre el hielo polar. Una de las principales incertidumbres en la modelización de los efectos de la neblina ártica en el equilibrio de la radiación solar fue el conocimiento limitado de las distribuciones verticales del carbono negro.

Durante 1983 y 1984, como parte del Programa de muestreo de aerosoles y gases del Ártico (AGASP, por sus siglas en inglés) de la Oficina Nacional de Administración Oceánica de los Estados Unidos, se obtuvieron las primeras mediciones de las distribuciones del carbono negro en la atmósfera ártica con un etalómetro que tenía la capacidad de medir el carbono negro en tiempo real.​ Estas mediciones mostraron concentraciones sustanciales de carbono negro que se encuentran en toda la troposfera ártica occidental, incluido el Polo Norte. Los perfiles verticales mostraban una estructura fuertemente estratificada o una distribución casi uniforme de hasta ocho kilómetros con concentraciones dentro de las capas tan grandes como las que se encuentran a nivel del suelo en las áreas urbanas típicas de latitud media en los Estados Unidos.​ Las profundidades ópticas de absorción asociadas con estos perfiles verticales fueron grandes, como lo demuestra un perfil vertical sobre el Ártico noruego, donde se calcularon profundidades ópticas de absorción de 0.023 a 0.052, respectivamente, para mezclas externas e internas de carbono negro con los otros componentes del aerosol.

Las profundidades ópticas de estas magnitudes conducen a un cambio sustancial en el balance de la radiación solar sobre la superficie de la nieve ártica durante el período de marzo a abril.​​ Estos efectos de calentamiento fueron vistos en ese momento como potencialmente una de las principales causas de las tendencias de calentamiento del Ártico, como se describe en los archivos del Departamento de Energía de los Estados Unidos.​

Presencia en suelos

Hasta el 60 % del carbono orgánico total almacenado en los suelos es aportado por el carbono negro.​ Especialmente para suelos tropicales, el carbono negro sirve como depósito de nutrientes. Los experimentos mostraron que los suelos sin grandes cantidades de carbono negro son significativamente menos fértiles que los suelos que contienen carbono negro. Un ejemplo de este aumento de la fertilidad del suelo son los suelos Terra preta de la Amazonia central, que presumiblemente son creados por el hombre por poblaciones nativas precolombinas. Los suelos de Terra Preta tienen en promedio tres veces más contenido de material orgánico del suelo (MOS), niveles más altos de nutrientes y una mejor capacidad de retención de nutrientes que los suelos infértiles circundantes.​ En este contexto, la práctica agrícola de tala y quema utilizada en las regiones tropicales no solo mejora la productividad al liberar nutrientes de la vegetación quemada, sino también al agregar carbono negro al suelo. No obstante, para una gestión sostenible, una práctica de tala y carbonización sería mejor para evitar altas emisiones de CO₂ y carbono negro volátil. Además, los efectos positivos de este tipo de agricultura se contrarrestan si se utiliza en grandes parcelas para que la vegetación no evite la erosión del suelo.

Presencia en aguas

El carbón negro soluble y coloidal retenido en el paisaje por los incendios forestales puede llegar a las aguas subterráneas. A escala mundial, el flujo de carbono negro hacia los cuerpos de agua dulce y salada se aproxima a la tasa de producción de carbono negro de los incendios forestales.​

Fuentes de emisión

Por región

Los países desarrollados fueron una vez la principal fuente de emisiones de carbono negro, pero esto comenzó a cambiar en la década de 1950 con la adopción de tecnologías de control de la contaminación en esos países.​ Mientras que Estados Unidos emite alrededor del 21 % del CO₂ del mundo, emite el 6,1 % del hollín del mundo.​ La Unión Europea y Estados Unidos podrían reducir aún más sus emisiones de carbono negro acelerando la implementación de las regulaciones de carbono negro que actualmente entran en vigencia en 2015 o 2020​ y apoyando la adopción de regulaciones pendientes de la Organización Marítima Internacional (OMI). Las regulaciones existentes también podrían expandirse para aumentar el uso de tecnologías de mitigación de la contaminación por carbón y diesel y para desarrollar tecnologías de segunda generación.

En la actualidad, la mayoría de las emisiones de carbono negro provienen de países en desarrollo y se espera que esta tendencia aumente.​ Las mayores fuentes de carbono negro son Asia, América Latina y África.​ China e India juntas representan el 25-35% de las emisiones globales de carbono negro.​ Las emisiones de carbono negro de China se duplicaron entre 2000 y 2006. Las tecnologías existentes y bien probadas que utilizan los países desarrollados, como el diésel limpio y el carbón limpio, podrían transferirse a los países en desarrollo para reducir sus emisiones.​

Las emisiones de carbono negro son más altas en y alrededor de las principales regiones de origen. Esto resulta en puntos calientes regionales de calentamiento solar atmosférico debido al carbono negro.​ Las áreas geográficas con mayor concentración incluyen:

• las llanuras indogangéticas de la India;
• este de China;
• la mayor parte del Sudeste Asiático e Indonesia;
• regiones ecuatoriales de África;
• México y Centroamérica;
• la mayor parte de Brasil y Perú en América del Sur.

Aproximadamente tres mil millones de personas viven en estos puntos críticos.​

Por fuente

Hollín en una olla, como resultado de una cocción con biocombustible.

Aproximadamente el 20 % del carbono negro se emite por la quema de biocombustibles, el 40 % por combustibles fósiles y el 40 % por la quema de biomasa a cielo abierto.​ Estimaciones similares de las fuentes de emisiones de carbono negro son las siguientes: ​

• 42 % quema de biomasa a cielo abierto (quema de bosques y sabanas)
• 18 % biocombustible residencial quemado con tecnologías tradicionales
• 14 % motores diésel para transporte
• 10 % motores diésel para uso industrial
• 10 % procesos industriales y generación de energía, generalmente a partir de calderas más pequeñas;
• 6 % carbón residencial quemado con tecnologías tradicionales ​

Las fuentes de carbono negro varían según la región. Por ejemplo, la mayoría de las emisiones de hollín en el sur de Asia se deben a la cocción con biocombustible,​ mientras que en el este de Asia, la combustión de carbón para usos residenciales e industriales juega un papel más importante. En Europa occidental, el tráfico parece ser la fuente más importante, ya que las altas concentraciones coinciden con la proximidad a las carreteras principales o la participación en el tráfico (motorizado).​

El hollín de los combustibles fósiles y los biocombustibles tienen cantidades significativamente mayores de carbono negro que los aerosoles y las partículas que refrescan el clima, lo que hace que las reducciones de estas fuentes sean estrategias de mitigación particularmente poderosas. Por ejemplo, las emisiones de los motores diésel y las embarcaciones marinas contienen niveles más altos de carbono negro en comparación con otras fuentes.​ Por lo tanto, regular las emisiones de carbono negro de los motores diésel y los buques marinos presenta una oportunidad significativa para reducir el impacto del calentamiento global del carbono negro.​

La quema de biomasa emite mayores cantidades de aerosoles y partículas que enfrían el clima que carbono negro, lo que resulta en un enfriamiento a corto plazo.​ Sin embargo, a largo plazo, la quema de biomasa puede causar un calentamiento neto cuando se consideran las emisiones de CO₂ y las emisiones por deforestación.​ Por lo tanto, la reducción de las emisiones de biomasa reduciría el calentamiento global a largo plazo y proporcionaría beneficios colaterales de la reducción de la contaminación del aire, las emisiones de CO₂ y la deforestación. Se ha estimado que implementar métodos agrícolas de tala y carbonización en vez de métodos agrícolas de tala y quema podría reducir el 12 % de las emisiones de carbono antropogénicas causadas anualmente por cambios en el uso de la tierra.​ Esto equivale a aproximadamente 0,66 Gt CO ₂ -eq. por año, o el 2 % de todas las emisiones globales anuales de CO₂ -eq.​ Esto se debe a que la tala y quema convierte la biomasa en ceniza mediante fuegos abiertos que liberan carbono negro​ y gases de efecto invernadero.​

Impactos

El carbono negro es una forma de material particulado ultrafino que, cuando se libera en el aire, causa mortalidad y discapacidad humanas prematuras. Además, el carbono negro atmosférico cambia el balance de energía radiativa del sistema climático de una manera que eleva las temperaturas del aire y de la superficie, causando una variedad de impactos ambientales perjudiciales para los seres humanos, la agricultura y los ecosistemas de plantas y animales.

Impactos en la salud pública

El material particulado es el más dañino para la salud pública de todos los contaminantes del aire en Europa. La materia particulada de carbón negro contiene carcinógenos muy finos y, por lo tanto, es particularmente dañina.​

Se estima que cada año se podrían prevenir de 640 000 a 4 900 000 muertes humanas prematuras mediante la utilización de las medidas de mitigación disponibles para reducir el carbono negro en la atmósfera.​

Los seres humanos están expuestos al carbono negro por inhalación de aire en las inmediaciones de fuentes locales. Las fuentes interiores importantes incluyen velas y la quema de biomasa, mientras que el tráfico y ocasionalmente los incendios forestales son las principales fuentes exteriores de exposición al carbono negro. Las concentraciones de carbono negro disminuyen drásticamente al aumentar la distancia de las fuentes de tráfico, lo que lo convierte en un componente atípico de la materia particulada. Esto dificulta la estimación de la exposición de las poblaciones. Para el material particulado, los estudios epidemiológicos se han basado tradicionalmente en mediciones de un solo sitio fijo o concentraciones residenciales inferidas.​ Estudios recientes han demostrado que se inhala tanto carbono negro en el tráfico y en otros lugares como en el hogar.​​ A pesar de que una gran parte de la exposición ocurre como picos cortos de altas concentraciones, no está claro cómo definir los picos y determinar su frecuencia e impacto en la salud.​ Se encuentran concentraciones máximas elevadas durante la conducción de automóviles. Las altas concentraciones de carbono negro en los vehículos se han asociado con la conducción durante las horas pico, en las carreteras y en el tráfico denso.​

Incluso concentraciones de exposición relativamente bajas de carbono negro tienen un efecto directo sobre la función pulmonar de los adultos y un efecto inflamatorio sobre el sistema respiratorio de los niños.​​ Un estudio reciente no encontró ningún efecto del carbono negro sobre la presión arterial cuando se combina con la actividad física.​ Los beneficios para la salud pública de la reducción de la cantidad de hollín y otras partículas se reconocen desde hace años. Sin embargo, persisten altas concentraciones en áreas industrializadas de Asia y en áreas urbanas de Occidente como la ciudad de Chicago.​ La OMS estima que la contaminación del aire causa cerca de dos millones de muertes prematuras al año.​ Al reducir el carbono negro, un componente principal de las partículas finas, los riesgos para la salud derivados de la contaminación del aire disminuirán. De hecho, las preocupaciones por la salud pública han dado lugar a muchos esfuerzos para reducir dichas emisiones, por ejemplo, de los vehículos diésel y las cocinas.

Impactos climáticos

Efecto directo: Las partículas de carbono negro absorben directamente la luz solar y reducen el albedo planetario cuando están suspendidas en la atmósfera.

Efecto semidirecto: El carbono negro absorbe la radiación solar entrante, perturba la estructura de temperatura de la atmósfera e influye en la capa de nubes. Puede aumentar o disminuir la cobertura de nubes en diferentes condiciones.​

Efecto albedo de nieve / hielo: Cuando se depositan en superficies de alto albedo como hielo y nieve, las partículas de carbono negro reducen el albedo de la superficie total disponible para reflejar la energía solar de regreso al espacio. Una pequeña reducción inicial del albedo de nieve puede tener un gran forzamiento debido a una retroalimentación positiva: la reducción del albedo de nieve aumentaría la temperatura de la superficie. El aumento de la temperatura de la superficie disminuiría la capa de nieve y disminuiría aún más el albedo de la superficie.​

Efecto indirecto: El carbono negro también puede provocar indirectamente cambios en la absorción o reflexión de la radiación solar a través de cambios en las propiedades y el comportamiento de las nubes. Los efectos del carbono negro son complejos, resultantes de una variedad de factores, pero debido a la corta vida del carbono negro en la atmósfera, alrededor de una semana en comparación con otros gases de efecto invernadero, el control del carbono negro ofrece posibles oportunidades para frenar el cambio climático.​​​

Forzamiento radiativo

Las estimaciones del forzamiento radiativo directo promediado globalmente del carbono negro varían desde la estimación del IPCC de +0,34 vatios por metro cuadrado (W/m²) ± 0,25,​ hasta una estimación más reciente de V. Ramanathan y G. Carmichael de 0,9 W/m².​

El IPCC también estimó el efecto de albedo de nieve promediado mundialmente del carbono negro en +0,1 ± 0,1 W/m².

Con base en la estimación del IPCC, sería razonable concluir que los efectos combinados directos e indirectos del albedo de la nieve para el carbono negro lo ubican como el tercer mayor contribuyente al forzamiento radiativo positivo promediado a nivel mundial desde el período preindustrial. En comparación, la estimación más reciente del forzamiento radiativo directo de Ramanathan y Carmichael llevaría a la conclusión de que el carbono negro ha contribuido al segundo forzamiento radiativo promedio mundial más grande después del dióxido de carbono (CO₂), y que el forzamiento radiativo del carbono negro es "tanto como el 55% del forzamiento de CO₂ y es mayor que el forzamiento debido a otros gases de efecto invernadero (GEI) como el CH₄, los CFC, el N₂O o el ozono troposférico".​

tabla 1 : Estimaciones del forzamiento radiativo del carbono negro, por efecto

Tabla 2: Forzamientos climáticos estimados (W/m²)

Efectos sobre el hielo ártico y los glaciares del Himalaya

Según el IPCC, "la presencia de carbono negro sobre superficies altamente reflectantes, como nieve y hielo, o nubes, puede causar un forzamiento radiativo positivo significativo".​​ El IPCC también señala que las emisiones de la quema de biomasa, que generalmente tienen un forzamiento negativo,​ tienen un forzamiento positivo sobre los campos de nieve en áreas como el Himalaya.​ Un estudio de 2013 cuantificó que las llamaradas de gas contribuían con más del 40 % del carbono negro depositado en el Ártico.​​

Según Charles Zender, el carbono negro es un contribuyente significativo al derretimiento del hielo del Ártico, y la reducción de tales emisiones puede ser “la forma más eficiente que conocemos de mitigar el calentamiento del Ártico”.​ El "forzamiento climático debido al cambio de albedo de nieve / hielo es del orden de 1.0 W/m² en áreas terrestres de latitud media y alta en el hemisferio norte y sobre el océano Ártico".​ El "efecto del hollín en el albedo de la nieve puede ser responsable de una cuarta parte del calentamiento global observado". "La deposición de hollín aumenta el derretimiento de la superficie de las masas de hielo, y el agua de deshielo estimula múltiples procesos de retroalimentación radiativa y dinámica que aceleran la desintegración del hielo", según los científicos de la NASA James Hansen y Larissa Nazarenko. Como resultado de este proceso de retroalimentación, "el carbono negro en la nieve calienta el planeta aproximadamente tres veces más que un forzamiento equivalente de CO₂".​ Cuando las concentraciones de carbono negro en el Ártico aumentan durante el invierno y la primavera debido a la niebla ártica, las temperaturas de la superficie aumentan en 0,5 °C. ​ ​ Las emisiones de carbono negro también contribuyen significativamente al derretimiento del hielo del Ártico, que es fundamental porque “nada en el clima se describe mejor como un 'punto de inflexión' que el límite de 0 °C que separa el agua congelada del agua líquida: la nieve brillante y reflectante y el hielo del océano oscuro que absorbe el calor".

Las emisiones de carbono negro del norte de Eurasia, América del Norte y Asia tienen el mayor impacto absoluto en el calentamiento del Ártico.​ Sin embargo, las emisiones de carbono negro que se producen realmente dentro del Ártico tienen un impacto desproporcionadamente mayor por partícula en el calentamiento del Ártico que las emisiones que se originan en otros lugares. A medida que el hielo del Ártico se derrite y la actividad de transporte marítimo aumenta, se espera que aumenten las emisiones que se originan en el Ártico.​

En algunas regiones, como el Himalaya, el impacto del carbono negro sobre el derretimiento de la capa de nieve y los glaciares puede ser igual al del CO₂.​ El aire más cálido resultante de la presencia de carbono negro en el sur y este de Asia sobre el Himalaya contribuye a un calentamiento de aproximadamente 0,6 °C. Un "análisis de las tendencias de temperatura en el lado tibetano del Himalaya revela un calentamiento superior a 1 °C". Una muestra de aerosol de verano en uno de los collados del Monte Everest (Qomolangma) en 2003 mostró que el sulfato inducido industrialmente del sur de Asia puede cruzar el Himalaya a alturas muy elevadas.​ Esto indicó que el carbono negro en el sur de Asia también podría transportarse del mismo modo. Y ese tipo de señal podría haberse detectado en un sitio de monitoreo de carbono negro en el interior del Tíbet.​ El muestreo y la medición de la nieve sugirieron que el carbono negro depositado en algunos glaciares del Himalaya puede reducir el albedo de la superficie en 0.01-0.02.​ El registro de carbono negro basado en un núcleo de hielo poco profundo perforado en el Glaciar de Rongbuk mostró una tendencia creciente dramática de las concentraciones de carbono negro en la estratigrafía del hielo desde la década de 1990, y el forzamiento radiativo promedio simulado causado por el carbono negro fue de casi 2 W/m ² en 2002.​ Esta gran tendencia al calentamiento es el factor causal propuesto para el retroceso acelerado de los glaciares del Himalaya, que amenaza el suministro de agua dulce y la seguridad alimentaria en China e India. Una tendencia general de oscurecimiento en los glaciares medios del Himalaya revelada por datos del MODIS desde 2000 podría atribuirse parcialmente al carbono negro y a otras impurezas que absorben la luz como el polvo en la primavera. Esta investigación se extendió posteriormente a todos los glaciares de la región Hindú Kush, la cordillera del Karakórum y el Himalaya que encontró una tendencia generalizada de oscurecimiento de -0,001 año ^-1 durante el período 2000-2011.​​ La disminución más rápida del albedo (más negativo que -0,0015 año^-1) ocurrió en altitudes superiores a 5500 m sobre el nivel del mar.

Calentamiento global

En su informe de 2007, el IPCC estimó por primera vez el forzamiento radiativo directo de carbono negro de las emisiones de combustibles fósiles en +0,2 W/m², y el forzamiento radiativo del carbono negro a través de su efecto sobre el albedo superficial de la nieve y el hielo en un +0,1 W/m².​ Estudios más recientes y el testimonio público de muchos de los mismos científicos citados en el informe del IPCC estiman que las emisiones de carbono negro son el segundo mayor contribuyente al calentamiento global después de las emisiones de dióxido de carbono, y que la reducción de estas emisiones puede ser la estrategia más rápida para frenar el cambio climático.​​

Desde 1950, muchos países han reducido significativamente las emisiones de carbono negro, especialmente de fuentes de combustibles fósiles, principalmente para mejorar la salud pública a partir de mejorar la calidad del aire, y “existe tecnología para una reducción drástica del carbono negro relacionada con los combustibles fósiles” en todo el mundo.

Dada la vida útil relativamente corta del carbono negro, la reducción de las emisiones de carbono negro reduciría el calentamiento en unas semanas. Debido a que el carbono negro permanece en la atmósfera solo durante unas pocas semanas, la reducción de las emisiones de carbono negro puede ser el medio más rápido para frenar el cambio climático a corto plazo.​ Es muy probable que el control del carbono negro, en particular de fuentes de combustibles fósiles y biocombustibles, sea el método más rápido para frenar el calentamiento global en el futuro inmediato, y recortes importantes en las emisiones de carbono negro podrían frenar los efectos del cambio climático durante un década o dos.​ La reducción de las emisiones de carbono negro podría ayudar a evitar que el sistema climático supere los puntos de inflexión de los cambios climáticos abruptos, incluido un aumento significativo del nivel del mar debido al derretimiento de las capas de hielo de Groenlandia y/o la Antártida.​

“Las emisiones de carbono negro son la segunda contribución más importante al calentamiento global actual, después de las emisiones de dióxido de carbono”.​ Cálculo del forzamiento climático combinado del carbono negro en 1.0-1.2 W/m², que "es tanto como el 55% del forzamiento de CO₂ y es mayor que el forzamiento debido a otros gases de efecto invernadero como CH₄, CFC, N₂O u ozono troposférico". Otros científicos estiman la magnitud total del forzamiento del carbono negro entre + 0,2 y 1,1 W/m ² con rangos variables debido a incertidumbres (véase Tabla 1). Esto se compara con las estimaciones de forzamiento climático del IPCC de 1,66 W/m² para CO₂ y 0,48 W/m² para CH₄ (véase Tabla 2).​ Además, el forzamiento del carbono negro es dos o tres veces más eficaz para elevar las temperaturas en el hemisferio norte y el Ártico que los valores de forzamiento equivalentes de CO₂.​​

Jacobson calcula que la reducción de las partículas de hollín de combustibles fósiles y biocombustibles eliminaría aproximadamente el 40% del calentamiento global neto observado.​ Además del carbono negro, los combustibles fósiles y el hollín de los biocombustibles contienen aerosoles y partículas que enfrían el planeta al reflejar la radiación del sol lejos de la Tierra.​ Cuando se tienen en cuenta los aerosoles y el material particulado, el hollín de los combustibles fósiles y los biocombustibles aumentan las temperaturas en aproximadamente 0,35 °C.​

Se estima que el carbono negro solo tiene un potencial de calentamiento global (GWP) a 20 años de 4.470 y un GWP a 100 años de 1.055-2.240.​​​​​ El hollín de combustibles fósiles, como resultado de la mezcla con aerosoles de enfriamiento y material particulado, tiene un GWP a 20 años más bajo de 2.530 y un GWP a 100 años de 840-1.280.​

El reporte "Evaluación integrada del carbono negro y el ozono troposférico" publicado en 2011 por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y la Organización Meteorológica Mundial calcula que reducir el carbono negro, junto con el ozono troposférico y su precursor, el metano, puede reducir la tasa de calentamiento global a la mitad y la tasa de calentamiento en el Ártico en dos tercios, en combinación con reducciones en las emisiones de CO_2. Al recortar el "pico de calentamiento", estos recortes pueden mantener el aumento actual de la temperatura global por debajo de 1,5 ˚C durante 30 años y menos 2 ˚C durante 60 años, en combinación con reducciones en las emisiones de CO₂.​

Tecnologías de control

Ramanathan señala que “las naciones desarrolladas han reducido sus emisiones de carbono negro de fuentes de combustibles fósiles en un factor de 5 o más desde 1950. Por lo tanto, existe la tecnología para una reducción drástica del carbono negro relacionado con los combustibles fósiles".​

Jacobson cree que “dadas las condiciones e incentivos adecuados, las tecnologías que contaminan pueden eliminarse rápidamente. En algunas aplicaciones a pequeña escala (como la cocina doméstica en los países en desarrollo), la salud y la comodidad impulsarán dicha transición cuando se disponga de alternativas asequibles y fiables. Para otras fuentes, como vehículos o calderas de carbón, es posible que se requieran enfoques regulatorios para impulsar la transición a la tecnología existente o el desarrollo de nueva tecnología".

Hansen afirma que “la tecnología que podría reducir en gran medida el hollín está al alcance, permitiendo restaurar el albedo de la nieve a valores casi prístinos, al tiempo que esta reducción tendría muchos otros beneficios para el clima, la salud humana, la productividad agrícola y el paisaje. Las emisiones de hollín del carbón ya están disminuyendo en muchas regiones con la transición de pequeños usuarios a plantas de energía con depuradores".​

Para los vehículos diésel en particular, existen varias tecnologías eficaces disponibles.​ Los filtros antipartículas más nuevos y eficientes, o trampas, pueden eliminar más del 90 % de las emisiones de carbono negro,​ pero estos dispositivos requieren combustible diesel con contenido ultra bajo en azufre. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) estima que "las emisiones de carbono negro de los vehículos diésel disminuyan alrededor del 70 por ciento entre 2001 y 2020”​​ debido a la implementación de requerimientos en este tipo de vehículos. Para cuando la flota completa esté sujeta a estas reglas, la EPA estima que se reducirán más de 239,000 toneladas de material particulado anualmente.​ Fuera de los Estados Unidos, los catalizadores de oxidación diesel a menudo están disponibles y los filtros antipartículas estarán disponibles a medida que el combustible diesel con contenido ultra bajo en azufre se comercialice más ampliamente.

Otra tecnología para reducir las emisiones de carbono negro de los motores diesel es cambiar los combustibles a gas natural comprimido. En Nueva Delhi, India, la Corte Suprema ordenó el cambio a gas natural comprimido para todos los vehículos de transporte público, incluidos autobuses, taxis y rickshaws, lo que resultó en un beneficio climático, “en gran parte debido a la drástica reducción de las emisiones de carbono negro de los motores diésel de los autobuses".​​ En general, el cambio de combustible para los vehículos reduce las emisiones de carbono negro suficientes para producir una reducción neta del 10 % en CO₂ eq., y quizás tanto como el 30%. Las principales ganancias se obtuvieron de los motores diesel para autobuses cuyas emisiones de CO₂ -eq. se redujeron en un 20 por ciento.​ Según un estudio que examina estas reducciones de emisiones, "existe un potencial significativo para la reducción de emisiones a través del Desarrollo Limpio de la CMNUCC para tales proyectos de cambio de combustible".

También se están desarrollando tecnologías para reducir algunas de las 133 000 toneladas métricas de material particulado emitidas cada año por los barcos.​ Los buques oceánicos utilizan motores diésel y ahora se están probando en ellos filtros de partículas similares a los que se utilizan en los vehículos terrestres. Al igual que con los filtros de partículas actuales, estos también requerirían que los barcos usen combustible diésel ultra bajo en azufre, pero si se pueden lograr reducciones de emisiones comparables, se podrían eliminar hasta 120 000 toneladas métricas de emisiones de partículas cada año del transporte marítimo internacional. Es decir, si se pudiera demostrar que los filtros de partículas reducen las emisiones de carbono negro en un 90 % de los barcos como lo hacen con los vehículos terrestres, se evitarían 120 000 toneladas métricas de las 133 000 toneladas métricas de emisiones actuales.​ Otros esfuerzos pueden reducir la cantidad de emisiones de carbono negro de los barcos simplemente disminuyendo la cantidad de combustible que utilizan los barcos. Al viajar a velocidades más lentas o al usar electricidad en tierra cuando están en el puerto en lugar de hacer funcionar los motores diesel del barco para generar energía eléctrica, los barcos pueden ahorrar combustible y reducir las emisiones.

Reynolds y Kandlikar estiman que el cambio al gas natural comprimido para el transporte público en Nueva Delhi ordenado por la Corte Suprema redujo las emisiones climáticas entre un 10 y un 30 %. ​​

Ramanathan estima que «proporcionar cocinas alternativas sin humo y de bajo consumo energético e introducir tecnología de transferencia para reducir las emisiones de hollín de la combustión de carbón en las pequeñas industrias podría tener un impacto importante en el forzamiento radiativo debido al hollín».​ Específicamente, el impacto de reemplazar la cocción con biocombustible con cocinas sin carbón negro (solar, bio y gas natural) en el sur y este de Asia es dramático: en el sur de Asia, una reducción del 70 al 80 % en la calefacción con carbono negro; y en el este de Asia, una reducción del 20 al 40 %.

Biodegradación

Las estructuras de anillos aromáticos condensados indican la degradación del carbono negro en el suelo. Se están investigando los hongos saprofitos por su papel potencial en la degradación del carbón negro.​

Opciones de política

Muchos países tienen leyes nacionales existentes para regular las emisiones de carbono negro, incluidas las leyes que abordan las emisiones de partículas. Algunos ejemplos incluyen:

• prohibir o regular la tala y quema de bosques y sabanas;
• exigir energía o electrificación en tierra de los barcos en el puerto, regular el tiempo de espera en las terminales y exigir normas de combustible para los barcos que buscan atracar en el puerto;
• exigir pruebas periódicas de las emisiones de los vehículos, retirarlas o reacondicionarlas (por ejemplo, agregar trampas de partículas),​ incluidas sanciones por no cumplir con los estándares de emisiones de calidad del aire, y sanciones más elevadas para los vehículos "superemisores" en la carretera;
• prohibir o regular la venta de ciertos combustibles y/o exigir el uso de combustibles más limpios para ciertos usos;
• limitar el uso de chimeneas y otras formas de quema de biomasa en áreas urbanas y no urbanas;
• requerir permisos para operar instalaciones industriales, de generación de energía y de refinación de petróleo y renovación periódica de permisos y / o modificación de equipos; y
• requiriendo tecnología de filtrado y combustión a alta temperatura (por ejemplo, carbón supercrítico) para las plantas de generación de energía existentes, y regular las emisiones anuales de las plantas de generación de energía.

La organización International Network for Environmental Compliance & Enforcement emitió una Alerta de Cumplimiento Climático sobre Carbono Negro en 2008 que citó la reducción del negro de carbón como una forma rentable de reducir una de las principales causas del calentamiento global.

Véase también

• Invierno nuclear
• Negro de carbón
• Oscurecimiento global
• Turbera
• Tala y quema
• Escape diesel

Enlaces externos

• Esta obra contiene una traducción derivada de «Black carbon» de Wikipedia en inglés, concretamente de esta versión del 1 de abril de 2021, publicada por sus editores bajo la Licencia de documentación libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 3.0 Unported.