Alterações climáticas: aerossóis injectados na baixa atmosfera

Os aerossóis são minúsculas partículas suspensas na atmosfera que podem ser emitidas através de fontes naturais ou de fontes com origem em actividades humanas.

As fontes provenientes de actividades humanas incluem emissões provenientes de fábricas, automóveis, aeronaves, centrais eléctricas, caldeiras, lareiras, entre outras. Muitos dos aerossóis não libertados directamente para a atmosfera, mas formam quando se convertem de gases para partículas. Algumas dessas partículas, como sulfatos e nitratos, reflectem na sua maioria a luz que chega do sol, enquanto que outros, como a fuligem, absorvem a luz solar. Muitas dessas partículas tendem a reduzir a quantidade de luz solar que chega à superfície e portanto tendem a causar um arrefecimento da superfície terrestre. 

Nos últimos anos, tem sido bastante estudado o efeito dos aerossóis de sulfato no clima, que se destacam pela sua elevada reflectividade. Na camada baixa da atmosfera (troposfera), a maioria dessas partículas estão relacionadas com actividades humanas e provêem da combustão de combustíveis fósseis que contêm enxofre. A poluição de enxofre, que mais do que duplicou desde o período pré-industrial, entra na atmosfera principalmente como dióxido de enxofre. Depois, transforma-se em minúsculas gotículas ou partículas de sulfato. Dado que os aerossóis normalmente permanecem apenas alguns dias na troposfera, eles não se propagam por todo o globo. Portanto, o seu efeito é mais sentido no Hemisfério Norte, especialmente em zonas mais poluídas.

Emissões de sulfatos
(Fonte: https://tamino.files.wordpress.com/2010/08/sulf3.jpg)

Os aerossóis de sulfato não só reflectem a luz sola para o espaço, mas também serve como núcleo de condensação para as nuvens, ou seja como partículas minúsculas que serve para a formação de gotículas que originam nuvens. Consequentemente, estes aerossóis têm o potencial de alterar as características físicas das nuvens.

Como os aerossóis de sulfato afectam a entrada de radiação solar
(Fonte: http://sites.gsu.edu/geog1112/files/2014/07/SulphateAerosols_small-ucxqia.png)

Em virtude de a poluição de sulfato ter aumentado significativamente sobre áreas industrializadas na Europa de Leste, no nordeste da América do Norte e na China, o efeito de arrefecimento provocados por estas partículas pode explicar:

• o porquê das regiões industriais no Hemisfério Norte terem aquecido menos do que o Hemisfério Sul durante as últimas décadas.
• o porquê dos Estados Unidos terem sofrido um aquecimento menor do que o resto do Mundo.
• o porquê da maioria do aquecimento global ocorrer à noite e não durante o dia, especialmente em áreas poluídas nas últimas décadas.

Fonte:

Essentials of Meteorology, 6th Edition (C. Donald Ahrens)

Alterações climáticas: variações da órbita da Terra

Uma outra causa externa de alterações climáticas envolve uma alteração na quantidade de radiação solar que chega à Terra. A teoria que justifica as alterações climáticas com as variações na órbita da Terra é a teoria de Milankovitch, apresentada pelo primeira vez pelo astrónomo Milutin Milankovitch em meados dos anos 30. A premissa básica desta teoria é que, à medida que a Terra viaja no espaço, três movimentos cíclicos combinam para produzir variações da quantidade de energia solar que chega à Terra.

O primeiro ciclo está relacionado com as alterações na forma (excentricidade) da órbita da Terra à medida que o planeta gira em volta do Sol. A forma da órbita da Terra pode variar entre elíptica e quase circular. A passagem de uma órbita mais circular para elíptica e depois para uma órbita circular novamente demora cerca de 100.000 anos. Quanto maior a excentricidade da órbita, ou seja quanto mais elíptica é a órbita, maior é a variação na energia solar recebida pela Terra entre o ponto mais próximo e o ponto mais afastado do Sol. Actualmente, estamos num período de baixa excentricidade, o que significa que a órbita anual à volta do Sol é mais circular. 

Excentricidade da órbita da Terra
(Fonte: http://www.ces.fau.edu/nasa/images/module_3/Eccentricity.gif)

O segundo ciclo leva em consideração o facto de que à medida que a Terra gira sobre o seu eixo, este eixo oscila, através de um movimento circular. Este movimento, conhecido como, precessão do eixo da Terra, ocorre num ciclo de cerca de 23.000 anos. No presente, a Terra está mais perto do Sol em Janeiro e mais longe em Julho. Devido à precessão, o reverso irá acontecer daqui a cerca de 11.000 anos. Daqui a 23.000 anos, estaremos na mesma situação de hoje. O que significa que daqui a 11.000 anos, as variações sazonais serão maiores no hemisfério Norte do que no presente. O oposto acontecerá no hemisfério Sul.

Precessão do eixo da Terra
(Fonte: http://www.geography.hunter.cuny.edu/tbw/wc.notes/14.climate.change/axis.precession.jpg)

O terceiro ciclo leva 41.000 anos a completar e está relacionada com a alteração da inclinação (obliquidade) da Terra à medida que orbita em volta do Sol. Actualmente a inclinação do eixo da Terra é de 23,5º mas durante o ciclo varia entre os 22º e os 24,5º. Quanto menor a inclinação, menor a variação sazonal entre o verão e o inverno nas latitudes altas e médias, o que significa que os invernos tendem a ser mais suaves e os verões mais suaves.

Inclinação do eixo da terra - Obliquidade
(Fonte: https://static1.squarespace.com/static/5705589f7c65e48e7d7aae7f/t/59220cc6c534a58e9b254cf9/1495403726043/)

Estudos recentes concluíram que nos últimos 800.000 anos, as placas de gelo atingiram o pico máximo a cada 100.000 anos, o que corresponde às variações na excentricidade da órbita da Terra. Adicionalmente, avanços de gelo mais pequenos apareceram com intervalos de 41.000 e 23.000 anos. Portanto, aparentemente os ciclos de Milankovitch desempenha um papel na frequência da glaciação e na severidade da variação climática.

No entanto, as alterações na órbita sozinhas não só totalmente responsáveis pelo avanço e recuo do gelo. As evidências relevam que os níveis de dióxido de carbono eram 30% mais baixos durante os períodos glaciais do que durante os períodos interglaciais. As análises às bolhas de ar nos núcleos de gelo da Antárctica mostram que o metano segue um padrão semelhante ao do dióxido de carbono. isto sugere que os níveis mais baixos de dióxido de carbono terá tido um efeito de ampliar o arrefecimento iniciado pelas alterações da órbita. Da mesma forma, os níveis crescentes de dióxido de carbono no final do período glacial podem ser responsáveis pelo rápido derretimento das placas de gelo.

Temperatura, dióxido de carbono e metano
(Fonte: https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEjeWy9yqYMpaLK2e8y6hjznqxsxA4WX5RJoVXz4sc_Tpca8bMgJ-GaC1RqMBsauqwJHwtp8pSXtBJAzghyphenhyphenlPytn7wQ7nFKs_ooC24prdwhwfhkT8lR-AZWhe4ZrCQgdgQjTqqJbDiRYDKM/s1600/Vostok3.png)

As últimas investigações mostram que as alterações de temperatura de há milhares de anos atrás precederam, na verdade, as alterações do dióxido de carbono. Esta observação indica que o dióxido de carbono é um feedback positivo no sistema climático, onde as temperaturas elevadas levam a níveis mais elevados de dióxido de carbono e as temperaturas mais baixas a níveis mais baixos de dióxido. Consequentemente, o dióxido de carbono é uma parte interna e natural.

Fonte:
Essentials of Meteorology, 6th Edition (C. Donald Ahrens)

Alterações climáticas: mecanismos de feedback

O sistema terra-atmosfera está num equilíbrio delicado entre a energia recebida e a energia emitida. Se este equilíbrio é perturbado, ainda que ligeiramente, o clima global pode passar por uma série de alterações complicadas.

Vamos assumir que o sistema terra-atmosfera seria perturbado ao ponto de a terra entrar numa tendência lenta de aquecimento. Com o passar do tempo a temperatura aumenta lentamente e a água dos oceanos evapora rapidamente para o ar mais quente. A maior quantidade de vapor de água absorve mais energia infravermelha da terra, o que aumenta o efeito de estufa atmosférico.

Este reforço do efeito de estufa aumenta a temperatura ainda mais, o que permite que haja mais vapor de água a evaporar para a atmosfera. O efeito de estufa torna-se ainda mais forte e a temperatura do ar sobre ainda mais. Esta situação é conhecida por feedback vapor de água-estufa. Este representa um mecanismo de feedback positivo porque o aumento inicial da temperatura é reforçado por outros processos.

Feedback vapor de água-estufa
(Fonte: https://www.e-education.psu.edu/meteo469/sites/www.e-education.psu.edu.meteo469/files/lesson01/p_feedback.gif)

Outro mecanismo de feedback positivo é feedback neve-albedo, em que o aumento da temperatura do ar junto à superfície pode causar o derretimento da neve e do gelo em latitudes polares. Este degelo reduz o albedo (reflectividade) da superfície, permitindo que mais energia solar seja absorvida, o que aumentaria ainda mais a temperatura.

Mecanismo de feedback neve-albedo
(Fonte: http://www.onlyonesolution.org/practical_implementation_options/albedo/albedo_feedback.png)

Todos os mecanismos de feedback funcionam simultaneamente e em ambas as direcções. Consequentemente, o feedback neve-albedo produz um feedback positivo num fase de arrefecimento do planeta. Baixas temperaturas pode permitir uma maior cobertura de neve em latitudes médias e elevadas, o que aumenta o albedo da superfície e assim mais energia é reflectida para o espaço. Temperaturas mais baixas podem aumentar a cobertura de neve, levando a que as temperaturas desçam ainda mais.

Para balancear os mecanismos de feedback positivos, existem os mecanismos de feedback negativos - que tendem a enfraquecer as interacções entre as variáveis em vez que as reforçar. Por exemplo, à medida que a superfície terrestre aquece, a terra emite mais radiação infravermelha. Este aumento na emissão de energia permite reduzir o aumento da temperatura  e ajuda a estabilizar o clima. O aumento da energia radiante da superfície com o aumento da temperatura à superfície é o mecanismo de feedback negativo mais forte no sistema climático.

Fonte:
Essentials of Meteorology, 6th Edition (C. Donald Ahrens)

Evolução das temperaturas nos últimos 100 anos

No início do século XX, a temperatura média global à superfície começou a subir. Desde 1900 até 1945, a temperatura média subiu quase 0,5ºC. Após esse período mais quente, a Terra começou a arrefecer ligeiramente durante os 25 anos seguintes. No final da década de 60 e nos anos 70, a tendência de arrefecimento terminou na maior parte do Hemisfério Norte. Em meados da década de 70 , iniciou-se uma tendência de aquecimento que continuou no século XXI. De facto, no Hemisfério Norte, a década de 90 foi a mais quente do século XX, sendo que os anos de 1998 e 2005 foram os mais quentes nos últimos 1000 anos. Este aumento da temperatura média no Hemisfério Norte durante o século XX aparenta ter sido o maior aumento de qualquer século nos últimos 1000 anos.

No entanto, este aquecimento médio do planeta não tem sido uniforme. O maior aquecimento ocorreu no Árctico e nas latitudes médias nos continentes no Inverno e Primavera. Noutras áreas não aqueceram nas recentes décadas como os oceanos do Hemisfério Sul e partes da Antarctica. Para além disso, a maior parte do aquecimento ocorreu durante o período nocturno. Esta situação aumentou a duração das épocas sem gelo em regiões de altas e médias latitudes, embora, nas últimas décadas, o aquecimento tem sido igualmente distribuído entre o dia e a noite.

As mudanças na temperatura do ar são calculadas a partir de três fontes: temperaturas do ar sobre a terra, temperatura do ar sobre os oceanos e a temperaturas à superfície dos oceanos. No entanto, existem algumas incertezas no registo das temperaturas. Por exemplo, durante este período as estações de registo mudaram de sítio, as técnicas de medição de temperatura têm variado e também as estações marinhas de observação são escassas.

Temperatura média global de Janeiro a Dezembro em terra e nos oceanos
(Fonte: https://www.ncdc.noaa.gov/sotc/service/global/global-land-ocean-mntp-anom/201501-201512.png)

Tendo isto em conta, o aquecimento durante o século XX foi de 0,6ºC. Durante as décadas passadas, este tendência para aquecimento não só tem continuado, como tem aumentado até aos 2ºC por século, com 12 dos anos mais quentes a ocorrerem após 1995. Este aumento de 0,6ºC pode parecer pequeno, mas as temperaturas a nível global não variaram mais do que 2ºC nos últimos 10000 anos.

A questão principal em relação ao aquecimento global é se este aquecimento se deve a causas naturais no sistema climático, se deve a actividades humanas ou se deve a uma combinação das duas?

Fonte:
Essentials of Meteorology, 6th Edition (C. Donald Ahrens)