Nanopartículas ocultas na estratosfera: a descoberta da NOAA na missão SABRE

Lá no alto, na estratosfera, pesquisadores encontraram algo que não deveria ter passado despercebido por tanto tempo.

Trata-se de uma classe antes não reconhecida de partículas ultrafinas - tão pequenas que ficam fora do alcance da maioria dos instrumentos de monitorização - e que, afinal, é extremamente abundante nas camadas mais baixas da estratosfera.

Em algumas medições, elas chegam a representar até 90% de toda a área de superfície de aerossóis naquela altitude.

A descoberta foi feita por cientistas do Chemical Sciences Laboratory (CSL) da NOAA. As consequências tocam algumas das questões mais relevantes da ciência atmosférica.

Entre elas estão: como a estratosfera funciona de fato, o que controla a química do ozônio e se intervenções propostas para arrefecer o planeta - como injetar partículas na estratosfera - se comportariam como os seus defensores esperam.

Partículas minúsculas escondidas dos satélites

As partículas em questão são nanopartículas, com a maioria apresentando diâmetro inferior a 0,11 micrômetro - cerca de 100 vezes menor do que uma partícula de poeira.

Como a maior parte dos instrumentos e satélites que acompanham a estratosfera foi projetada para identificar partículas maiores, essas menores acabaram não sendo detectadas.

Os cientistas da NOAA conseguiram torná-las “visíveis” ao usar instrumentos sob medida, capazes de medir partículas com diâmetro tão pequeno quanto 3 nanômetros.

Missões de reconhecimento em grande altitude

Esses equipamentos foram instalados no avião de grande altitude WB-57, da NASA, durante a missão SABRE da NOAA, realizada em fevereiro de 2023 sobre o Ártico.

A campanha foi planeada para recolher medições detalhadas de concentrações de partículas estratosféricas, distribuições de tamanho, composição química e gases-traço.

Os instrumentos acabaram apontando resultados inesperados, tanto na quantidade quanto na composição das partículas.

“Essas partículas ficaram praticamente invisíveis para nós até agora”, disse o autor principal Ming Lyu, pesquisador do Cooperative Institute for Research in Environmental Science (CIRES).

“A maioria dos instrumentos e satélites não as enxerga porque elas são pequenas demais, mas são muito abundantes e, por isso, no conjunto, podem ter um grande impacto.”

As partículas não são o que os cientistas esperavam

É aqui que a descoberta ganha um peso especial. Os modelos atmosféricos atuais partem do pressuposto de que a maior parte dos aerossóis pequenos na estratosfera é composta principalmente por sulfato.

As medições da SABRE indicaram outra realidade: essas nanopartículas são ricas em moléculas orgânicas. Além disso, parecem estar associadas a níveis mais elevados de óxido nitroso.

Esse gás é emitido na superfície por agricultura, indústria e produção de energia, e depois é transportado para a estratosfera por correntes ascendentes tropicais e sistemas de tempestades.

Uma composição orgânica muda o comportamento químico dessas partículas. As superfícies dos aerossóis funcionam como “plataformas” onde ocorre uma ampla gama de processos químicos na atmosfera, incluindo reações que afetam o ozônio estratosférico.

A área total de superfície das partículas de aerossol determina a rapidez com que essas reações podem avançar. Ou seja: os cientistas podem ter subestimado sistematicamente 90% dessa área de superfície.

E, se essas superfícies que estavam a faltar reagirem de forma diferente da prevista pelos modelos, os modelos tenderão a errar.

“O modelo trata todas as partículas pequenas como se fossem essencialmente só de sulfato, mas estamos a ver uma grande contribuição de químicos orgânicos”, afirmou Lyu. “Esse descompasso pode levar a erros na forma como simulamos o crescimento das partículas, a química do ar e os impactos radiativos dos aerossóis.”

Partículas ausentes alteram os modelos climáticos

O momento da descoberta também é particularmente relevante, dado o interesse crescente na injeção de aerossóis estratosféricos.

Essa intervenção climática envolveria a libertação deliberada de grandes quantidades de dióxido de enxofre na estratosfera para formar partículas refletoras, capazes de arrefecer o planeta ao desviar parte da luz solar.

Os defensores dessa abordagem já modelaram os seus efeitos de forma extensa. Porém, ao que tudo indica, esses modelos estão a deixar de fora um componente fundamental.

Muitas estratégias de implementação propostas focam a estratosfera inferior tropical ou subtropical - justamente a região onde essas nanopartículas orgânicas parecem aparecer com mais frequência.

Entendendo a injeção de aerossóis

Na prática, o funcionamento da injeção de aerossóis depende de forma crítica do que o material recém-injetado “gruda” primeiro ao entrar na estratosfera.

A equipa observou que essas pequenas partículas de fundo provavelmente serviriam como os primeiros pontos de fixação para vapor de dióxido de enxofre ou outros gases condensáveis libertados na estratosfera.

“Isso muda tudo em termos de como você desenha e prevê os efeitos”, disse o físico de pesquisa do CSL e coautor Charles Brock.

A NOAA não realiza experimentos de injeção de aerossóis estratosféricos. No entanto, os seus cientistas usam modelos computacionais para simular os possíveis efeitos dessas intervenções.

Agora, esses modelos precisam ser revistos para incluir uma população de partículas que antes não era considerada.

Aerossóis ocultos redesenham a ciência

Os pesquisadores são diretos sobre os próximos passos. Instrumentos levados por balões precisam ser atualizados para detectar partículas abaixo de 0,1 micrômetro.

Também são necessárias mais observações com aeronaves em diferentes regiões geográficas - não apenas no Ártico.

Além disso, os modelos usados para simular a química estratosférica e o clima precisam ser reconstruídos para incorporar corretamente aerossóis ricos em compostos orgânicos.

Nada disso é simples. Na prática, significa que uma parte considerável da ciência da estratosfera tem trabalhado com um retrato incompleto do que realmente existe lá em cima.

“Entender essas partículas pequenas é fundamental para prever como a estratosfera responderia a qualquer tipo de perturbação, seja natural, como um vulcão, ou causada por humanos”, disse Lyu.

Há muito tempo os cientistas tratam a estratosfera como uma das partes mais bem compreendidas da atmosfera - distante, estável e relativamente simples quando comparada aos sistemas de tempo turbulentos abaixo dela.

Esta descoberta indica que, mesmo ali, algo importante estava a escapar. Algo que, pelo visto, estava escondido à vista de todos.