Um novo estudo explica como o dióxido de carbono esfria a atmosfera superior – e aquece a Terra abaixo – Estado do Planeta

Mesmo com o aumento das temperaturas na superfície da Terra e na baixa atmosfera, a atmosfera superior do planeta arrefeceu dramaticamente. Este padrão paradoxal é um sinal bem conhecido dos impactos climáticos da humanidade – mas até agora, a física subjacente permaneceu um mistério.

Num novo estudo, investigadores da Universidade de Columbia descrevem a mecânica do fenómeno, esclarecendo como este é em grande parte determinado pela forma como o dióxido de carbono (CO2) interage com diferentes comprimentos de onda de luz.

“Isso explica um fenômeno que é uma impressão digital das mudanças climáticas, cuja ocorrência é conhecida há décadas e não foi compreendido”, diz Roberto Pincusprofessor pesquisador de física oceânica e climática no Lamont-Doherty Earth Observatory, que faz parte da Columbia Climate School, e co-autor de o estudo publicado em Geociências da Natureza.

Na baixa atmosfera, as moléculas de CO2 retêm o calor que, de outra forma, escaparia para o espaço. Mais acima na atmosfera, porém, a dinâmica muda. Na estratosfera – a camada atmosférica que se estende de cerca de 11 km a 50 km acima da superfície da Terra – as moléculas de CO2 funcionam quase como um radiador, absorvendo energia infravermelha de baixo e emitindo parte dessa energia para o espaço. Quando mais CO2 é adicionado, a estratosfera irradia calor com mais eficiência e esfria.

(Esta descoberta) explica um fenómeno que é uma impressão digital das alterações climáticas, cuja ocorrência é conhecida há décadas e não foi compreendido.

Robert Pincus, Observatório Terrestre Lamont-Doherty

Isto foi previsto na década de 1960 pelos modelos do clima da Terra e do aquecimento global induzido pelo CO2, vencedores do Prémio Nobel, do climatologista Syukuro Manabe. A estratosfera esfriou cerca de 2 graus Celsius desde meados da década de 1980. Estima-se que isso seja mais de 10 vezes a quantidade de resfriamento que teria ocorrido na ausência de emissões de CO2 causadas pelo homem.

No entanto, embora os princípios básicos do arrefecimento estratosférico sejam compreendidos, os detalhes permanecem obscuros. “A teoria existente era incrivelmente esclarecedora, mas no momento não temos uma teoria quantitativa para o resfriamento estratosférico induzido por CO2”, diz Sean Cohenpesquisador de pós-doutorado no Lamont-Doherty Earth Observatory, que faz parte da Columbia Climate School, e principal autor do estudo.

Cohen, Pincus e Lorenzo Polvanigeofísico do Departamento de Física Aplicada e Matemática Aplicada da Columbia Engineering, desenvolveu sua teoria por meio de um método iterativo de identificação dos principais processos envolvidos no resfriamento estratosférico, atribuindo-lhes valores matemáticos, comparando os resultados de seus modelos de caneta e papel com simulações abrangentes e dados do mundo real, ajustando suas equações e repetindo. Ao longo de vários meses, eles deduziram as equações que melhor se ajustavam.

Os pesquisadores chegaram a um fator central: como as moléculas de CO2 interagem com a luz e, em particular, com a luz infravermelha – também conhecida como onda longa. Nem todo comprimento de onda infravermelho passa por eles da mesma maneira. Alguns comprimentos de onda contribuem para o resfriamento mais do que outros, e a equipe determinou que os comprimentos de onda em uma determinada “zona Cachinhos Dourados” são especialmente eficientes. À medida que o CO2 se acumula na atmosfera, essa zona se expande.

“São essas mudanças na eficiência que acabarão por impulsionar o resfriamento estratosférico”, diz Cohen.

Os pesquisadores também quantificaram os papéis desempenhados pelo ozônio e pelo vapor d’água. Estes estão implicados em processos semelhantes aos do CO2 – também podem reter calor na baixa atmosfera, mas contribuem para o arrefecimento da estratosfera através da irradiação de calor – mas revelam ter pouca influência em comparação com o CO2.

As equações dos investigadores enquadram-se em três fenómenos bem descritos: como o arrefecimento estratosférico varia consoante a altitude, com o menor arrefecimento a ocorrer no seu nível mais baixo e o maior no seu nível mais alto; como cada duplicação de CO2 se traduz num arrefecimento de 8 graus Celsius na estratopausa, ou na parte superior da estratosfera; e como uma estratosfera mais fria permite que menos energia infravermelha escape para o espaço, aumentando o efeito de retenção de calor do CO2. Por outras palavras: o CO2 torna a estratosfera melhor a irradiar, o que a arrefece – mas porque se torna mais frio, o sistema terrestre acaba por perder menos calor para o espaço em geral, fortalecendo o aquecimento abaixo.

“Aqui está este processo que conhecemos há mais de 50 anos e que tínhamos uma compreensão qualitativa bastante decente de como funcionava. No entanto, não entendíamos os detalhes do que realmente impulsionava esse processo mecanicamente”, diz Cohen.

Cohen e Pincus dizem que as implicações do trabalho têm menos a ver com a adição de mais uma evidência para apoiar o aquecimento global – essa realidade já é clara – do que com o desenvolvimento de uma melhor compreensão dos mecanismos envolvidos no arrefecimento estratosférico. “Isto está realmente a dizer-nos o que é essencial”, diz Pincus, e pode informar futuras pesquisas sobre o processo. As descobertas também podem ajudar os cientistas a estudar as condições fora da Terra.

“Talvez possamos entender melhor o que está acontecendo nas estratosferas de outros planetas do nosso sistema solar ou exoplanetas”, diz Cohen.