Como o CO2 arrefece a estratosfera e aquece a superfície: estudo da Columbia University

As alterações climáticas escondem um paradoxo à vista de todos: ao mesmo tempo que a temperatura aumenta à superfície e na baixa atmosfera, as camadas superiores da atmosfera têm vindo a arrefecer de forma acentuada.

Há décadas que os cientistas conhecem este padrão - aliás, é frequentemente descrito como uma das marcas mais claras de alterações climáticas provocadas pela ação humana -, mas a física por detrás do fenómeno nunca tinha sido totalmente esclarecida.

Um novo estudo realizado no Lamont-Doherty Earth Observatory da Columbia University ajuda a clarificar o que está a acontecer.

A investigação foi liderada por Sean Cohen, cientista de investigação pós-doutorado. Robert Pincus, professor investigador de física do oceano e do clima, e Lorenzo Polvani, geofísico da Columbia Engineering, assinam como coautores.

Duas atmosferas, duas histórias

Para perceber este aparente contrassenso, é útil lembrar que a atmosfera não se comporta como um bloco uniforme.

Consoante a altitude, o funcionamento muda bastante, e o CO2 - principal impulsionador do aquecimento à superfície - desempenha papéis opostos conforme a camada em que se encontra.

Na baixa atmosfera, o CO2 faz aquilo por que é mais conhecido: retém calor que, de outra forma, escaparia para o espaço, contribuindo para aquecer a superfície.

No entanto, mais acima, na estratosfera - a faixa da atmosfera que se estende aproximadamente dos 11 aos 50 quilómetros de altitude -, o mecanismo inverte-se por completo.

Nessa região, as moléculas de CO2 comportam-se mais como um radiador do que como um cobertor: absorvem energia infravermelha que sobe das camadas inferiores e emitem parte dessa energia para o espaço.

Quando se aumenta a concentração de CO2, a estratosfera passa a libertar calor com maior eficiência, o que leva ao seu arrefecimento.

Previsões das alterações climáticas induzidas pelo CO2

Este efeito já tinha sido antecipado na década de 1960 pelo climatólogo Syukuro Manabe, cujos modelos de alterações climáticas induzidas pelo CO2 lhe valeram mais tarde um Prémio Nobel.

Desde meados da década de 1980, a estratosfera arrefeceu cerca de 2 graus Celsius - um valor mais de dez vezes superior ao que seria esperado sem emissões de CO2 causadas pelo ser humano.

"A teoria existente foi incrivelmente perspicaz, mas neste momento falta-nos uma teoria quantitativa para o arrefecimento estratosférico induzido pelo CO2", afirmou Cohen.

Identificar o mecanismo

Os investigadores chegaram aos detalhes através de um processo iterativo e rigoroso: determinaram quais eram os processos essenciais e atribuíram-lhes valores matemáticos.

Depois, confrontaram os modelos desenvolvidos no papel com simulações abrangentes e com dados do mundo real, afinando as equações e repetindo o ciclo.

O elemento central que emergiu desse trabalho foi a forma como o CO2 interage com a luz infravermelha (também chamada luz de onda longa).

Nem todos os comprimentos de onda do infravermelho se comportam do mesmo modo ao atravessarem moléculas de CO2. Alguns são muito mais eficazes do que outros a promover o arrefecimento.

Fatores que foram excluídos

A equipa identificou uma espécie de zona de Cachinhos Dourados de comprimentos de onda particularmente eficiente a impulsionar o arrefecimento estratosférico. E, de forma crucial, à medida que as concentrações de CO2 aumentam, essa zona alarga-se.

"São essas mudanças de eficiência que, no fim de contas, vão ser aquilo que está a conduzir o arrefecimento estratosférico", disse Cohen.

Os cientistas analisaram também o ozono e o vapor de água, que participam em processos semelhantes. Concluíram que, quando comparados com o CO2, o contributo destes dois fatores para o arrefecimento estratosférico é relativamente reduzido.

Uma reviravolta que agrava o aquecimento à superfície

As equações propostas pela equipa encaixam bem em várias observações já sólidas.

O arrefecimento da estratosfera torna-se mais intenso com a altitude. A cada duplicação do CO2, ocorre um arrefecimento considerável perto do topo da estratosfera.

Em paralelo, uma estratosfera mais fria faz com que, no conjunto, menos energia infravermelha consiga escapar para o espaço.

O CO2 aumenta a capacidade da estratosfera de irradiar calor para fora, o que a arrefece. Porém, por ficar mais fria, acaba por emitir menos energia total para o espaço do que emitiria noutras condições.

O resultado líquido é que mais calor permanece retido no sistema terrestre, reforçando o aquecimento que está a ocorrer abaixo.

Dito de outra forma, o CO2 está simultaneamente a arrefecer a estratosfera e a aquecer a superfície - e estes dois efeitos estão interligados.

"Temos este processo, que conhecemos há mais de 50 anos, e tínhamos uma compreensão qualitativa bastante razoável de como funcionava. No entanto, não compreendíamos os detalhes do que, mecanisticamente, conduzia esse processo", afirmou Cohen.

Uma nova compreensão mecanística

Os autores deixam claro o que este estudo é - e o que não é.

Não se trata de mais uma peça de evidência sobre a existência de alterações climáticas - essa questão está resolvida há muito.

O que o trabalho oferece é, em vez disso, uma explicação mecanística mais nítida de um processo que faz parte da ciência do clima há meio século sem ter sido completamente explicado.

"Isto está realmente a dizer-nos o que é essencial", afirmou Pincus.

Saber quais os fatores que efetivamente impulsionam o arrefecimento estratosférico e conseguir expressá-los em termos matemáticos dá aos investigadores futuros uma base mais robusta para desenvolver trabalho.

Essa base traduz-se em modelos melhores, previsões mais precisas e uma visão mais apurada de como a atmosfera funciona na prática.

Aplicações para além do clima da Terra

Existe ainda um alcance inesperado para lá da Terra. Em princípio, a mesma física que governa o comportamento do CO2 na nossa estratosfera aplica-se às atmosferas de outros planetas.

Uma teoria matemática mais limpa para o arrefecimento estratosférico pode ajudar os cientistas a interpretar condições noutros mundos do Sistema Solar e, potencialmente, em exoplanetas que orbitam outras estrelas.

É um salto grande entre uma particularidade do registo de temperaturas da Terra e a compreensão de atmosferas alienígenas.

Mas a ciência fundamental por vezes funciona assim: tenta-se explicar algo que intrigou pessoas durante décadas e acaba-se por obter uma ferramenta com um alcance maior do que o esperado.