Mudança climática: por que o CO2 esfria a estratosfera

A mudança climática guarda um paradoxo evidente. Enquanto a temperatura aumenta na superfície e na parte mais baixa da atmosfera, as camadas superiores vêm esfriando de forma acentuada.

Cientistas sabem disso há décadas - e o fenômeno é considerado uma das marcas mais claras das alterações climáticas causadas por ação humana -, mas a física por trás do processo nunca tinha sido descrita por completo.

Um novo estudo realizado no Lamont-Doherty Earth Observatory, da Universidade Columbia, trouxe mais clareza sobre esse comportamento.

A pesquisa foi liderada por Sean Cohen, cientista pesquisador de pós-doutorado.

Robert Pincus, professor pesquisador de física do oceano e do clima, e Lorenzo Polvani, geofísico da Columbia Engineering, assinam como coautores do trabalho.

Duas atmosferas, duas histórias

Para enxergar o paradoxo, é útil lembrar que a atmosfera não é um bloco uniforme.

Em diferentes altitudes, ela se comporta de maneiras distintas - e o CO2, principal motor do aquecimento na superfície, pode ter funções opostas dependendo da camada em que se encontra.

Perto do chão, na baixa atmosfera, o CO2 faz o que o tornou conhecido: retém calor que, de outra forma, escaparia para o espaço, elevando a temperatura da superfície.

Mas, ao subir para a estratosfera - a faixa da atmosfera que vai de cerca de 11 a 50 quilômetros acima da superfície -, a lógica muda totalmente.

Lá em cima, as moléculas de CO2 funcionam mais como um radiador do que como um cobertor: elas absorvem energia infravermelha que vem de baixo e reemitem parte dessa energia em direção ao espaço.

Assim, quando há mais CO2, a estratosfera passa a liberar calor com mais eficiência - e, por isso, esfria.

Previsões de mudança climática induzida por CO2

Esse efeito já tinha sido previsto nos anos 1960 pelo climatologista Syukuro Manabe, cujos modelos de mudança climática induzida por CO2 lhe renderam, mais tarde, um Prêmio Nobel.

Desde meados da década de 1980, a estratosfera esfriou aproximadamente 2 graus Celsius - mais de dez vezes o que seria esperado sem emissões humanas de CO2.

“Existing theory was incredibly insightful, but at the moment we lack a quantitative theory for CO2-induced stratospheric cooling,” Cohen said.

Identificando o mecanismo

Para chegar aos detalhes, os cientistas seguiram um caminho metódico e iterativo: mapearam os processos-chave e atribuíram valores matemáticos a cada um deles.

Em seguida, colocaram os modelos feitos “no papel” lado a lado com simulações abrangentes e com dados do mundo real, ajustando as equações e repetindo o ciclo.

No centro do mecanismo, apareceu a forma como o CO2 interage com a luz infravermelha (também chamada de radiação de onda longa).

Nem todos os comprimentos de onda do infravermelho se comportam do mesmo jeito ao atravessar moléculas de CO2. Alguns são muito mais eficientes do que outros para promover o resfriamento.

Fatores que foram descartados

A equipe encontrou uma espécie de “zona ideal” de comprimentos de onda particularmente eficazes para impulsionar o resfriamento da estratosfera. E, de maneira decisiva, conforme a concentração de CO2 aumenta, essa zona se amplia.

“It’s those changes in efficiency that are going to ultimately be what’s driving stratospheric cooling,” Cohen said.

Os pesquisadores também analisaram o ozônio e o vapor d’água, já que ambos participam de processos semelhantes. Porém, em comparação com o CO2, a contribuição deles para o resfriamento estratosférico se mostrou relativamente pequena.

Uma reviravolta que piora o aquecimento na superfície

As equações desenvolvidas pela equipe se alinham bem com diversas observações consolidadas.

O resfriamento da estratosfera se intensifica conforme a altitude aumenta. A cada duplicação do CO2, ocorre um resfriamento significativo perto do topo da estratosfera.

Ao mesmo tempo, quando a estratosfera está mais fria, menos energia infravermelha consegue escapar para o espaço no total.

Em outras palavras: o CO2 torna a estratosfera mais eficiente em irradiar calor para fora, o que a esfria. Só que, ao ficar mais fria, ela acaba emitindo menos energia total para o espaço do que emitiria em outras condições.

O efeito líquido é que mais calor permanece retido no sistema terrestre como um todo, reforçando o aquecimento que acontece abaixo.

Dito de outra forma, o CO2 esfria a estratosfera e aquece a superfície ao mesmo tempo - e esses dois efeitos estão conectados.

“Here’s this process that we’ve known about for 50-plus years, and we had a pretty decent qualitative understanding of how it worked. However, we didn’t understand the details of what actually drove that process mechanistically,” Cohen said.

Uma nova compreensão mecanística

Os autores fazem questão de delimitar o que este estudo é - e o que ele não é.

Não se trata de mais uma prova de que a mudança climática existe - esse debate já está resolvido há muito tempo.

O que o trabalho entrega, em vez disso, é uma explicação mecanística mais nítida para um processo que faz parte da ciência do clima há meio século, mas que ainda não tinha sido totalmente destrinchado.

“This is really telling us what is essential,” Pincus said.

Saber quais fatores de fato comandam o resfriamento da estratosfera e conseguir expressá-los matematicamente dá aos pesquisadores daqui para frente uma base mais robusta para avançar.

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

Aplicações além do clima da Terra

Há ainda um alcance inesperado que vai além do nosso planeta. A mesma física que descreve o comportamento do CO2 na nossa estratosfera, em princípio, também vale para as atmosferas de outros planetas.

Uma teoria matemática mais limpa para o resfriamento estratosférico pode ajudar cientistas a interpretar condições em outros mundos do sistema solar e, possivelmente, em exoplanetas que orbitam outras estrelas.

É um salto enorme: de uma curiosidade no registro de temperaturas da Terra para a compreensão de atmosferas alienígenas.

Mas a ciência básica, muitas vezes, avança assim. Você tenta resolver um enigma que intrigou pessoas por décadas e termina com uma ferramenta que vai muito além do que imaginava.