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O elo entre as explosões de estrelas, as nuvens e o clima

Estudo avança compreensão da influência de  raios cósmicos de supernovas sobre cobertura de nuvens e clima terrestre

H. Svensmark/DTU
Ilustração de raios cósmicos interagindo com a atmosfera terrestre e produzindo íons, que ajudam a transformar pequenos aerossóis em núcleos de condensação de nuvens.
Estudo publicado dia 20 de dezembro na revista Nature Communications mostra como os íons atmosféricos, que são gerados durante o percurso dos raios cósmicos descendo pela atmosfera terrestre, ajudam no crescimento e na formação de núcleos de condensação de nuvens - as sementes necessárias para a formação de nuvens na atmosfera.

Quando ocorrem mudanças na ionização da atmosfera, o número de núcleos de condensação de nuvens se altera, o que por sua vez afeta as propriedades das nuvens. Mais núcleos de condensação de nuvens significam mais nuvens e um clima mais frio, e vice e versa. E uma vez que as nuvens são essenciais para a quantidade de energia solar que atinge a superfície da Terra, as implicações podem ser significativas para nosso entendimento sobre por que o clima variou no passado, e também para mudanças climáticas futuras.

Núcleos de condensação de nuvens podem ser formados pelo crescimento de pequenas aglomerações moleculares chamadas aerossóis. Até agora, assumia-se que pequenos aerossóis adicionais não cresceriam e se tornariam núcleos de condensação de nuvens, já que não se conhecia nenhum mecanismo capaz de causar este efeito. Os novos resultados revelam, tanto de forma teórica quanto experimental, como as interações entre íons e aerossóis podem acelerar o crescimento acrescentando material aos pequenos aerossóis e, assim, ajudando-os a sobreviver para se tornarem núcleos de condensação de nuvens. Isso dá fundamento físico à grande quantidade de evidências empíricas mostrando que a atividade solar tem um papel nas variações climáticas da Terra. Tanto o Ótimo Climático Medieval, por volta do ano 1000 d.C,. quanto o período frio na Pequena Era Glacial entre 1300 e 1900, por exemplo, se encaixam com mudanças na atividade solar.

“Finalmente temos a última peça do quebra-cabeça que explica como as partículas do espaço afetam o clima na Terra. Isso dá um entendimento sobre como as mudanças causadas pela atividade solar ou de supernovas podem alterar o clima”, diz Henrik Svensmark, do DTU Space da Universidade Técnica da Dinamarca, principal autor do estudo. Os co-autores são o pesquisador sênior Martins Bødker Enghoff (STU Space), o professor Nir Shaviv (Universidade Hebraica de Jerusalém) e Jacob Svensmark (Universidade de Copenhage).

O novo estudo

A nova ideia fundamental no estudo é atribuir uma contribuição para o crescimento de aerossóis à massa dos íons. Embora os íons não sejam os constituintes mais numerosos na atmosfera, as interações eletromagnéticas entre eles e os aerossóis compensam a escassez, e tornam a fusão entre os dois algo muito mais provável. Mesmo em níveis baixos de ionização, cerca de 5% da taxa de crescimento de aerossóis se deve aos íons. No caso de uma supernova próxima, o efeito pode ser mais de 50% da taxa de crescimento, o que terá um impacto nas nuvens e na temperatura da Terra.

Para alcançar os resultados, foi formulada uma descrição teórica das interações entre íons e aerossóis, juntamente com uma expressão para a taxa de crescimento dos aerossóis. As idéias foram, então, testadas experimentalmente em uma grande câmara de nuvens. Devido a limitações experimentais causadas pela presença de paredes da câmara, a alteração na taxa de crescimento que precisava ser medida foi da ordem de 1%, o que implicava uma alta demanda de estabilidade durante os experimentos - e eles foram repetidos até 100 vezes para obter um bom sinal em relação às flutuações indesejadas. Os dados foram coletados durante um período de 2 anos, com total de 3.100 horas de amostragem. Os resultados dos experimentos coincidiram com as previsões teóricas.

A hipótese, em resumo

- Raios cósmicos, partículas de alta energia vindas de estrelas que explodiram, atingem as moléculas de ar. Isto produz íons - isto é, moléculas positivas e negativas - na atmosfera;
- Os íons ajudam aerossóis - aglomerações principalmente de moléculas ácido sulfúrico e água - a se formarem e permanecerem estáveis contra a evaporação. Este processo é chamado nucleação. Os pequenos aerossóis precisam crescer cerca de milhões de vezes em massa para terem efeito sobre as nuvens;
- O segundo papel dos íons é acelerar o crescimento de pequenos aerossóis para que se tornem núcleos de condensação de nuvens - sementes nas quais gotas de água líquida se formam para fazerem nuvens. Quanto mais íons, mais aerossóis se tornam núcleos de condensação de nuvens. Esta é a segunda propriedade dos íons e também o resultado publicado na Nature Communications;
- Nuvens baixas feitas de gotas de água líquida resfriam a superfície terrestre;
- Variações na atividade magnética do Sol alteram o influxo de raios cósmicos para a Terra;
- Quando o Sol tem pouca atividade, magneticamente falando, há mais raios cósmicos e mais nuvens baixas, e o planeta fica mais frio;
- Quando o Sol está mais ativo, menos raios cósmicos atingem a Terra e, com menos nuvens baixas, o mundo se aquece.

As implicações do estudo sugerem que o mecanismo pode ter afetado:

- As mudanças climáticas observadas durante o século 20;
- Os resfriamentos e aquecimentos por volta de 2°C os quais ocorreram repetidamente nos últimos 10 mil anos, à medida que a atividade solar e o influxo de raios cósmicos variavam;
- As variações muito maiores, de até 10°C, acontecendo enquanto o Sol e a Terra viajam pela galáxia, visitando regiões com números variáveis de estrelas em explosão.

Universidade Técnica da Dinamarca
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