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)

Índice da Democracia 2016

O Índice da Democracia (ID) é um índice desenvolvido por um empresa sediada no Reino Unido - a Economist Intelligence Unit (EIU) - que tem como objectivo medir o estado da democracia de 165 estados independentes e dois territórios, cobrindo quase toda a população mundial e a maior parte dos estados, deixando de fora os micro-estados.

O Índice da Democracia baseia-se na avaliação de cinco categorias: processo eleitoral e pluralismo, liberdades civis, o funcionamento do governo, participação política e cultura política. Em função dos resultados obtidos nos indicadores destas categorias, a cada país é atribuído um tipo de regime dentro de quatro tipos: democracia plena ("full democracy"), democracia com falhas ("flawed democracy"), regime híbrido ("hybrid regime") e regime autoritário ("authoritarian regime").

Na nona edição do ID, de 2016, a média global da pontuação caiu de 5.55 para 5.52 em 2015, numa escala de 0 a 10. 72 países tiveram um decréscimo na sua pontuação total comparando com o ano anterior, enquanto que 38 países registaram uma melhoria. Em 2016, cinco regiões apresentaram uma regressão - Europa de Leste, América Latina, Médio Oriente e Norte de África, África Sub-Sariana e Europa Ocidental. A Europa de Leste foi de longe a que registou uma maior descida, de 5.55 para 5.43. Nenhuma região obteve uma melhoria da pontuação em 2016. Duas regiões - Ásia e Australásia -  estagnaram em 2016.

Quase metade da população mundial, 49,3%, vive numa democracia sob alguma forma, no entanto, apenas 4,5% residem num país com uma "democracia plena", que contrasta com os 8,9% de 2015, que resulta do facto de os Estados Unidos terem sido despromovidos de "democracia plena" para "democracia com falhas". Cerca de 2.6 mil milhões de pessoas, mais de um terço da população mundial, vive sob um regime autoritário.

Índice Democrático em 2016, por tipo de regime com a contabilização do número de países e percentagens de países e população mundial (Fonte: Democracy Index 2016 Report)

De acordo com o ID, 76 dos 167 países estudados (45,5%), podem ser considerados democracias. No entanto o número de "democracias plenas" baixou de 20 para 19 em 2016.

O relatório do ID dá destaque aos seguintes acontecimentos:

• Um défice de confiança leva a que os Estados Unidos passem para "democracia com falhas".
• O referendo sobre o Brexit leva ao aumento da participação política no Reino Unido.
• A Ásia estagnou o crescimento da pontuação em 2016.
• A América Latina sofre com os regimes populistas.
• Os 19 países da Europa de Leste que registaram um decréscimo da pontuação.
• A participação política aumenta na África sub-sariana, mas ainda tem muito caminho para percorrer.
• O longo Inverno Árabe continua e a Tunísia sofre uma queda no ranking.

Mapa do Índice Democrático
(Fonte: https://cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7869871/slack_imgs_2.com.jpeg)

Os 10 países com maior pontuação e os 10 países com menor pontuação nos rankings de 2016
(Fonte: https://www.eiu.com/topic/democracy-index)

Neste link podem-se consultar as pontuações individuais de cada país: https://infographics.economist.com/2017/DemocracyIndex/

Fonte:
Democracy Index 2016 (https://www.eiu.com/democracy2016)
https://en.wikipedia.org/wiki/Democracy_Index

Evolução das temperaturas nos últimos 1000 anos

Evolução das temperaturas nos últimos 1000 anos
(Fonte: http://assets.climatecentral.org/images/made/7-23-13-Guardian-ipcc-climate-change-chart-v2_1050_780_s_c1_c_c.jpg)

De modo a construir o gráfico acima foi usada uma variedade de fontes que incluem anéis de árvores, corais, núcleos de gelo, registos históricos e termómetros. De notar que há cerca de 1000 anos o Hemisfério Norte foi ligeiramente mais frio do que a temperatura média entre 1961 e 1990. No entanto, certas regiões no Hemisfério Norte eram mais quentes do que outras. Por exemplo, durante este período a cultura da vinha floresceu em Inglaterra, indicando a presença de Verões quentes e secos e a ausência de primaveras frias. Este período de algumas centenas de anos relativamente quente na Europa Ocidental é por vezes referido como o Período Quente Medieval (Medieval Warm Period ou Medieval Climatic Optimum). Foi durante este período a primeira parte do milénio que os Vikings colonizaram a Islândia e Gronelândia e viajaram até à América do Norte.

Esta curva de temperatura mostra um período relativamente quente durante o século 11 e 14 mas ainda assim mais frio do que o século 20. Durante este período de clima relativamente suave na Europa Ocidental apresentou grandes variações. Tanto grandes cheias como grandes secas assolaram esta parte do continente. Invernos extremamente frios foram seguidos por Invernos relativamente quentes.

Um outro olhar para o gráfico observa-se que o Hemisfério Norte passou por um período de ligeiro arrefecimento desde o século 15 até ao século 19. Este arrefecimento foi de tal ordem que permitiu o aumento em tamanho e o avanço de glaciares alpinos em certas áreas. Em muitas partes da Europa, os Invernos foram longos e severos e os Verões curtos e húmidos. As vinhas desaparecem da Inglaterra e a agricultura tornou-se impossible em latitudes mais a Norte. A colónia de Vikings isolada na Gronelândia do resto do Mundo devido ao avanço do gelo, pereceram. Não existem provas de que esta vaga de frio existiu noutras partes do Mundo. No entanto este período foi conhecido na Europa como a Pequena Idade do Gelo (Little Ice Age).

Período Quente Medieval e a Pequena Idade do Gelo
(Fonte: https://www.ncdc.noaa.gov/sites/default/files/Comparisons-of-simulated-and-reconstructed-Northern-Hemisphere-temperature-changes-v2.jpg)

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

O clima ao longo das Eras

Durante a maior parte da história da Terra, o clima global foi provavelmente muito mais quente do que é hoje e as regiões polares não tinham gelo. No entanto, estas condições foram interrompidas por diversos períodos de glaciação. A evidência geológica sugere que um período glacial ocorreu há cerca 700 milhões de anos e outro há cerca de 300 milhões de anos. O mais recente - a Era do Pleistoceno - começou há cerca de 2,5 milhões de anos.

Idades do gelo nos últimos 2.4 mil milhões de anos
(Fonte: https://geology.utah.gov/wp-content/uploads/ice_ages1.gif)

Há cerca de 65 milhões de anos, a Terra era mais quente do que nos dias de hoje e as calotes polares não existiam. 10 milhões de anos depois, o planeta entrou numa tendência de arrefecimento e passados alguns milhões de anos, o gelo polar apareceu. À medida que as temperaturas médias continuaram a descer, o gelo cresceu tornando-se mais denso e há cerca de 10 milhões de anos um denso cobertor cobria a Antárctica. Entretanto, neve e gelo começaram a acumular-se em altos vales de montanhas no hemisfério Norte e glaciares alpinos apareceram de seguida.

Acerca de 2.5 milhões de anos, os glaciares continentais apareceram no hemisfério Norte, marcando o início da Era do Pleistoceno. O Pleistoceno foi, no entanto, não foi um período de contínua glaciação mas um período em que os glaciares avançaram e recuaram alternativamente em grandes territórios da América do Norte e Europa. Entre os avanços glaciares existiram períodos mais quentes denominados de períodos interglaciares, que duraram 10 mil anos ou mais.

Ciclos glacial-interglacial nos últimos 450.000 anos
(Fonte: https://geology.utah.gov/wp-content/uploads/ice_ages2.gif)

O gelo começou a recuar há cerca de 14 mil anos à medida que as temperaturas à superfície começaram a subir. Depois, há cerca de 12 mil anos, as temperaturas médias desceram de forma repentina e o nordeste da América do Norte e o Norte da Europa voltaram a ter glaciares. Aproximadamente 1000 anos depois, este período frio (conhecido como Younger Dryas) terminou abruptamente e as temperaturas aumentaram rapidamente em muitas áreas. Há cerca de 8000 anos atrás, a temperatura média desceu até aos 2ºC no centro da Europa.

O período frio terminou, as temperaturas começaram a subir e há cerca de 6000 anos as camadas de gelo continentais desapareceram da América do Norte. Este período de aquecimento durante o actual período interglacial, ou Holoceno, é por vezes denominada como o Óptimo Climático do Holoceno que favoreceu o desenvolvimento das plantas. Há cerca de 5000 anos atrás, entrou-se num período mais frio e os glaciares alpinos voltaram.

Temperatura na época do Holoceno
(Fonte: https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEgU_flX1fKroxMltDb1BpVs-XhxNTRdD7X8LVWWHMxVJMamHlg-lcEHqN9_mZ5qTZWwl0ncixsrWoiAxGDDzn0a-MC8ZP2MJpyszNySqaVVS5Fm6pLaIy0TYsbBPi7hyphenhyphenLqyBl3lefWQog_T/s1600/Climate-Optimum.jpg)

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

Reconstrução de climas passados (parte 2)

Os núcleos de gelo verticais retirados dos mantos de gelo da Antárctica e Gronelândia forneceram informação adicional sobre os padrões das temperaturas passadas. Os glaciares formam-se sobre a terra quando as temperaturas são suficientemente baixas de forma a que, durante um período de um ano, caia mais neve do que aquela que derrete. Acumulações de neve sucessivas durante vários anos compactam a mesma que lentamente cristaliza-se em gelo. Dado que o gelo é composto de hidrogénio e oxigénio, ao examinar-se o rácio do isótopo de oxigénio em núcleos antigos, pode-se determinar quais as tendências das temperaturas no passado. No geral, quanto mais frio o ar quando se forma a neve, maior a concentração de oxigénio 16 no núcleo. Para além disso, as bolhas de ar antigo que estão aprisionadas no gelo podem ser analisadas para determinar a composição passada da atmosfera.

Extracção dos núcleos de gelo na Gronelândia
(Fonte: https://earthobservatory.nasa.gov/Features/Paleoclimatology_IceCores/Images/greenland_drilling.jpg)

Os núcleos de gelo também registam as causas para as alterações climáticas. Uma dessas causas é deduzida das camadas de ácido sulfúrico no gelo. O ácido sulfúrico é gerado em grandes explosões vulcânicas que libertam grandes quantidades de enxofre para a estratosfera. Os aerossóis sulfatados caem por fim em terra nas regiões polares como neve ácida, que foi preservada nos mantos de gelo. Os núcleos de gelo da Gronelândia também fornecem um registo contínuo registo do enxofre com origem em actividades humanas. No momento, estes núcleos são igualmente analisados quimicamente para que se possa conhecer as alterações biológicas e físicas no sistema climático, por exemplo, o isótopo do berílio indica a actividade solar na Terra. Vários tipos de poeiras recolhidos nos núcleos indicam se o clima era árido ou húmido.

Outra fonte de evidência de alterações climáticas vem do estudo do crescimento anual dos anéis dos troncos das árvores, que se denomina de dendrocronologia. À medida que uma árvore cresce, esta produz uma camada de células debaixo da sua casca. Cada ano de crescimento aparece como um real. As alterações na espessura dos anéis indicam as alterações climáticas que podem acontecer de um ano para o próximo. Os anéis de árvores são apenas úteis em regiões que experimentem um ciclo anual e em árvores cujo crescimento é afectado pela disponibilidade de humidade e temperatura. O crescimento dos anéis das árvores tem sido correlacionado com os padrões de precipitação e temperatura há centenas de anos em várias regiões do globo.

Anéis do tronco de uma árvore
(Fonte: http://www.ltrr.arizona.edu/introdendro/images/logo_base.jpg)

Paralelamente, outros conjuntos de informação têm sido usados para reconstruir climas passados:

• registos de sedimentos do fundo de lagos naturais e depósitos de solo.
• estudo do pólen encontrado em caves de gelo, depósitos de solo e sedimentos marinhos.
• evidência geológica (jazidas de carvão, dunas e fósseis) e a alteração do nível da água em lagos fechados.
• documentos com informação relativa a secas, cheias, rendimento de culturas, precipitação, neve e períodos de congelamento de lagos.
• estudo dos rácios de isótopo de oxigénio em corais.
• datação das camadas de carbonato de cálcio de estalactites.
• rácios de deutério (hidrogénio pesado) em núcleos de gelo, que indicam as alterações de temperatura.

Fonte:

Essentials of Meteorology (C. Donald Ahrens)

Reconstrução de climas passados (parte 1)

Há 18.000 anos atrás a Terra atravessava um período frio, em que glaciares alpinos estendiam-se em vales de rios e glaciares continentais que cobriam vastas áreas da América do Norte e Europa. Os glaciares possivelmente avançaram 10 vezes nos últimos 2.5 milhões de anos. Nos períodos mais quentes, entre os avanços dos glaciares, as temperaturas médias eram ligeiramente superiores às de hoje. Levando mesmo alguns cientistas a afirmarem que ainda estamos numa era glacial, mas numa fase mais quente da mesma.

Extensão do gelo glacial há 18.000 anos
(Fonte: http://www.geocraft.com/WVFossils/PageMill_Images/lastgla_mod.gif)

Hoje os glaciares cobrem menos de 10% da superfície terrestre do planeta. A maioria deste gelo encontram-se está nas massas de gelo glaciar da Gronelândia e Antárctica e a sua acumulação ao longo do tempo tem permitido aos cientistas medir as alterações passadas do clima.

O estudo da evidência geológica desvendadas pelo avanço e recuo dos glaciares é um dos factores que sugere que o clima global sofreu mudanças lentas e contínuas. Para reconstruir climas passados, os cientistas têm de examinar e de forma cuidadosa unir as peças disponíveis. Infelizmente, estas provas apenas nos permitem ter um entendimento geral de como os climas passados eram.

Outra evidência de alteração climática global vem de amostras retiradas de sedimentos do fundo oceânico e de gelo da Gronelândia e Antárctica. Os sedimentos contêm restos de conchas de carbonato de cálcio que pertenceram a organismos que viveram perto da superfície. Dado que certos organismos podem viver dentro de um estreito intervalo de temperatura, a distribuição e o tipo de organismos dentro de um sedimento indica a temperatura da água à superfície.

Adicionalmente, o rácio dos isótopo do oxigénio das conchas permitiu obter informação sobre a sequência dos avanços dos glaciares. A maior parte do oxigénio presente na água salgada é composto por 8 protões e 8 neutrões no seu núcleo, o que resulta numa massa atómica de 16. No entanto, 1 em cada 1000 átomos de oxigénio contém 2 neutrões extra e portanto com uma massa atómica de 18. Quando a água dos oceanos evapora, o oxigénio mais pesado (18) tende a concentrar-se mais. Consequentemente, durante os períodos de avanços dos glaciares, os oceanos que contêm menos água, têm uma maior concentração de oxigénio 18. Dado que as conchas dos organismos marinhos são construídas a partir dos átomos de oxigénio existentes na água dos oceanos, ao determinarmos o rácio de oxigénio 18 em relação ao oxigénio 16 dentro dessas estruturas conseguimos informação sobre como o clima pode ter variado no passado. Um rácio mais elevado de oxigénio 18 relativamente ao oxigénio 16 nos sedimentos sugere a existência de um clima mais frio, e um rácio mais baixo sugere um clima mais quente.

Processo de formação das estruturas dos organismos marinhos que contêm um rácio de oxigénio 18 e oxigénio 16
(Fonte: http://www.priweb.org/globalchange/images/climatechange/globalwarming/oxy_iso_2.jpg)

Fonte:

Essentials of Meteorology (C. Donald Ahrens)