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Reportagem

A física por trás das mudanças climáticas

Por que os climatologistas estão tão confiantes de que as atividades humanas estão aquecendo a Terra perigosamente?
A seguir, alguns dos participantes do relatório internacional mais abrangente das evidências científicas resumem os argumentos e discutem por que ainda restam incertezas

William Collins, Robert Colman, James Haywood, Martin R. Manning e Philip Mote
Dlillc Corbis
Para os cientistas que estudam as mudanças climáticas, gritar “Eureka!” é muito raro. Geralmente o progresso nesses estudos é obtido através de um cuidadoso juntar de peças, de cada nova medida de temperatura, dados de satélite ou com experimentos de modelos de clima. As informações obtidas são verifi cadas e revisadas, as idéias são testadas repetidamente. Será que as observações confirmam as mudanças preditas? Bons climatologistas precisam se assegurar de que todas as descobertas feitas sejam submetidas aos testes mais rigorosos.

As evidências de mudanças aumentam à medida que os registros climáticos vão ficando mais longos, assim como nossa compreensão dos sistemas climáticos melhora e os modelos climáticos vão se tornando cada vez mais confiáveis. Ao longo dos últimos 20 anos, as evidências de que o homem está afetando o clima se acumularam inexoravelmente, e com elas, uma consciência cada vez maior de toda a comunidade científica sobre a realidade das recentes mudanças climáticas e das mudanças futuras que poderão ser ainda maiores. Essa certeza crescente está muito clara no último relatório do Painel Internacional de Mudanças Climáticas (IPCC), o quarto de uma série de avaliações sobre o estado do conhecimento do assunto, escrito e revisado por centenas de cientistas do mundo todo.

Em fevereiro, o painel publicou uma versão condensada da primeira parte do relatório, sobre a base física das mudanças climáticas. Chamado de “Resumo para Gestores de Políticas”, foi distribuído também ao público em geral com uma mensagem ambígua: os cientistas têm mais certeza do que nunca de que o homem interferiu no clima e que mais mudanças climáticas induzidas pela humanidade estão a caminho. Ainda que o relatório acredite que algumas dessas mudanças sejam inevitáveis, a análise também confirma que o futuro, especialmente em longo prazo, estará totalmente em nossas mãos – a magnitude da mudança esperada depende do que os homens farão a respeito das emissões de gases de efeito estufa.

A avaliação da ciência física focaliza os responsáveis pelas mudanças climáticas, as mudanças observadas nos sistemas climáticos, a compreensão das relações de causa e efeito, e projeções de futuras mudanças. Houve avanços importantes desde a avaliação do IPCC em 2001. A seguir, descrevemos as principais descobertas que documentam a extensão da mudança e chegam a uma conclusão inevitável: a causa é a atividade humana.
Causas das Mudanças Climáticas
As concentrações atmosféricas de vários gases – basicamente dióxido de carbono, metano, óxido nítrico e halocarbonetos (que já foram muito usados como refrigerantes e propelentes de sprays) – aumentaram por causa das atividades humanas. Esses gases capturam a energia térmica (calor) dentro da atmosfera por meio do conhecido efeito estufa, o que leva ao aquecimento global. As concentrações atmosféricas de dióxido de carbono, metano e óxido nítrico permaneceram praticamente estáveis por quase 10 mil anos, antes do crescimento abrupto e acelerado dos últimos 200 anos . As taxas de crescimento das concentrações de dióxido de carbono foram mais rápidas nos últimos dez anos do que em qualquer outro período de dez anos, desde que o monitoramento contínuo da atmosfera começou, em meados de 1950. Hoje, essas concentrações estão aproximadamente 35% acima dos níveis pré-industriais (que podem ser determinados pelas bolhas de ar aprisionadas em núcleos de gelo). Os níveis de metano estão aproximadamente duas vezes e meia maiores que os níveis pré-industriais, e os de óxido nítrico, 20% mais altos.

Como podemos ter certeza de que o homem é responsável por esse aumento? Alguns gases de efeito estufa (a maioria dos halocarbonetos, por exemplo) não têm fonte natural. Para outros gases, duas observações importantes demonstram a
infl uência humana. A primeira é que as diferenças geográficas nas concentrações mostram que as fontes estão predominantemente em áreas com maior densidade demográfi ca do hemisfério norte. A segunda é que as análises de isótopos, que podem identificar as fontes emissoras, demonstram que a maior parte do aumento do dióxido de carbono provém da queima de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural). O aumento dos níveis de metano e de óxido nítrico decorre de práticas agrícolas e da queima de combustíveis fósseis.

Os climatologistas utilizam um conceito chamado forçante radiativa para quantifi car o efeito dessas concentrações mais altas. Forçante radiativa é a alteração causada no equilíbrio energético global da Terra em relação à época pré-industrial – e é geralmente expressa em watts por metro quadrado. Uma forçante positiva induz aquecimento; uma forçante negativa induz resfriamento. Podemos determinar a forçante radiativa associada a gases de longa duração de efeito estufa com excelente precisão.

As mudanças climáticas não são causadas somente por maiores concentrações de gases de efeito estufa; outros mecanismos também têm seu papel. As causas naturais incluem variações na atividade solar e grandes erupções vulcânicas. O relatório identificou vários mecanismos forçantes signifi cativos, induzidos pelo homem: aerossóis, ozônio estratosférico e troposférico, albedo da superfície (refletividade) e esteiras de fumaça de aeronaves, embora seus efeitos sejam muito menos prováveis do que os gases de efeito estufa.
Bettmann Corbis
Os pesquisadores não estão muito certos sobre a influência do chamado efeito do albedo de nuvens de aerossóis, nos quais os aerossóis de origem humana interagem com as nuvens, tornando-as mais brilhantes e refl etindo a luz do Sol de volta para o espaço. Há outra dúvida: quanto os aerossóis refletem e absorvem da luz solar diretamente, como partículas? Em geral, eles deveriam produzir um resfriamento que poderia compensar, até certo ponto, o efeito de aquecimento devido aos gases de efeito estufa de longa duração. Mas quanto? Poderia superar o aquecimento? Dentre os avanços alcançados desde o relatório do IPCC de 2001, um deles se destaca: os cientistas conseguiram quantificar as incertezas associadas a cada mecanismo forçante individualmente, através de uma combinação de vários estudos observacionais e de modelos. Conseqüentemente, agora podemos fazer estimativas confi áveis da influência total do homem. Nossa melhor estimativa é dez vezes maior do que a melhor estimativa da forçante radiativa natural causada por variações da atividade solar.


A certeza maior de uma forçante radiativa positiva se ajusta bem às evidências observacionais do aquecimento, que serão discutidas a seguir. Essas forçantes podem ser entendidas como um cabo-de-guerra, com forçantes positivas tentando puxar a
Terra para um clima mais quente e as negativas puxando-a para um estado mais frio. O resultado é que não há competição. A Terra está sendo levada para um clima mais quente e será cada vez mais puxada nessa direção, enquanto os vilões do aquecimento global vão ficando cada vez mais fortes.


Mudanças Climáticas Observadas
Novos conjuntos de dados observacionais foram disponibilizados para que o relatório do IPCC de 2007 pudesse fazer uma avaliação mais abrangente das mudanças que a dos relatórios anteriores. Registros observacionais indicam que 11 dos 12 últimos anos foram os mais quentes desde que os registros confi áveis começaram, por volta de 1850. A chance de que essa sucessão de anos mais quentes tenha sido puramente casual é extremamente pequena. Mudanças na temperatura global, no nível do mar e na cobertura de neve no hemisfério norte mostram evidências de aquecimento. A avaliação anterior do IPCC relatou uma tendência de aquecimento de 0,6oC ± 0,2oC no período de 1901 a 2000. Devido ao forte aquecimento recente, a tendência atualizada para o período de 1906 a 2005 é agora de 0,74oC ± 0,18oC. Observe que, de 1956 a 2005 apenas, a tendência é de 0,65oC ± 0,15oC, enfatizando que a maior parte do aquecimento do século 20 ocorreu nos últimos 50 anos. O clima continua a variar em torno dessas médias mais altas, e os extremos mudaram consistentemente com elas – dias extremamente frios têm se tornado cada vez menos comuns, enquanto ondas de calor e dias quentes se tornaram mais freqüentes.

As propriedades dos sistemas climáticos incluem não só conceitos como médias de temperaturas, de precipitação etc., mas também do estado do oceano e da criosfera (gelo marinho, grandes camadas de gelo da Groenlândia e da Antártida, geleiras, neve, solo congelado e gelo em lagos e rios). As interações entre as diferentes partes dos sistemas climáticos têm papel fundamental nas mudanças – por exemplo, a redução do gelo marinho aumenta a absorção de calor pelo oceano e o fluxo de calor entre o oceano e a atmosfera, o que também pode afetar a camada de nuvens e as precipitações. Um grande número de observações adicionais é bastante consistente com o aquecimento estudado e reflete um fluxo de calor da atmosfera para outros componentes do sistema. A cobertura de neve na primavera, que diminui conforme aumentam as temperaturas nessa estação em latitudes médias do hemisfério norte, diminuiu abruptamente por volta de 1988 e permanece baixa desde então. Essa redução precisa ser considerada, pois a cobertura de neve é importante para a umidade do solo e os recursos hídricos de muitas regiões.
No oceano, vemos claramente tendências de aquecimento, que diminuem com a profundidade. Essas mudanças indicam que o oceano absorveu mais de 80% do calor adicionado ao sistema climático: esse aquecimento é um dos principais responsáveis pela elevação do nível do mar. Desde 1993, as observações por satélite permitiram cálculos mais precisos da elevação global do nível dos oceanos, agora estimada em 3,1 mm ± 0,7 mm por ano no período de 1993 a 2003. Algumas décadas passadas mostraram taxas rápidas similares, e serão necessários registros de satélites a longo prazo para determinar sem ambigüidade se esse aumento está se acelerando. Também foram observadas em décadas recentes reduções substanciais na extensão do gelo marinho do Ártico desde 1978 (2,7% ± 0,6% por década, no verão), aumento nas temperaturas do permafrost (solo congelado), redução da extensão do gelo global, assim como das camadas de gelo da Groenlândia e da Antártida.


Mudanças hidrológicas também são bastante consistentes com o aquecimento. O vapor de água é o gás mais forte de efeito estufa, pois é controlado principalmente pela temperatura. Em geral, ele vem aumentando pelo menos desde os anos 80. A precipitação varia muito localmente, mas tem aumentado em várias regiões do mundo, incluindo o leste das Américas do Norte e do Sul, o norte da Europa e o norte e o centro da Ásia. Secas têm sido observadas no Sahel, Mediterrâneo, sul da África e partes do sul da Ásia. A salinidade oceânica pode agir como um grande calibrador de chuva. Águas próximas da superfície dos oceanos têm estado, em geral, menos salgadas em latitudes médias e altas, enquanto em latitudes mais baixas têm apresentado maior salinidade, em conformidade com as mudanças nos padrões de precipitação de larga escala.


Reconstruções do clima do passado – o paleoclima – a partir de anéis de árvores e de outros métodos fornecem uma compreensão adicional importante do funcionamento do sistema climático com ou sem a infl uência do homem. Elas indicam que o aquecimento da última metade do século passado foi incomum, pelo menos nos 1.300 anos anteriores. O período mais quente entre 700 a.C. e 1950 foi provavelmente entre 950 a.C. e 1100, e era vários décimos de grau Celsius mais frio do que a temperatura média desde 1980.


Atribuição das Mudanças
Embora estejamos bastante convencidos de que as atividades humanas causaram uma forçante radiativa positiva e que o clima realmente mudou, será que podemos garantir que existe um vínculo entre eles? Esta é a questão da atribuição: as atividades humanas são realmente responsáveis pelas mudanças climáticas observadas, ou é possível que elas decorram de outras causas, como alguma forçante natural ou simplesmente de uma variabilidade espontânea dentro do sistema climático? O relatório do IPCC de 2001 concluiu que era provável (mais de 66% de certeza) que a maior parte do aquecimento desde a metade do século 20 era atribuída à atividade humana. O relatório de 2007 vai muito além, elevando essa avaliação para muito provável (mais de 90% de certeza).
A fonte de certeza adicional decorre de uma série de avanços isolados. Para começar, agora os registros contêm aproximadamente cinco anos a mais de dados, e o aumento das temperaturas globais nesse período tem sido bastante consistente com as projeções do IPCC para o aquecimento induzido por gases de efeito estufa feitas em relatórios anteriores desde os anos 90. Além disso, mudanças em outros aspectos do clima foram consideradas, como na circulação atmosférica ou na temperatura dos oceanos. Essas mudanças descrevem um cenário consistente, e agora mais amplo, da intervenção humana. Os modelos climáticos, fundamentais nos estudos de atribuições,foram melhorados e estão em condições de representar o clima atual e o do passado recente com grande fi delidade. Finalmente, algumas inconsistências aparentes notadas nos registros observacionais foram quase que completamente sanadas desde o último relatório.

A mais importante foi um aparente desacordo entre o registro instrumental da temperatura da superfície (que mostrou um aquecimento signifi cativo nas décadas mais recentes, consistente com o impacto humano) e os registros atmosféricos com balões e satélites (que mostraram um aquecimento menor do que o esperado). Vários novos estudos dos dados de satélite e de balão resolveram essa discrepância – tendo sido encontrado um aquecimento consistente na superfície e na atmosfera.

A maneira ideal para testar as causas das mudanças climáticas seria criar um experimento com dados reais, que replicassem o clima do século 20 com emissões constantes (e não crescentes) dos gases de efeito estufa. Mas, obviamente, um experimento como esse seria impossível. Por isso, os cientistas fazem o melhor dentro do possível: simulam o passado com modelos climáticos.

Desde a última avaliação do IPCC, dois importantes avanços aumentaram a confi abilidade no uso de modelos, tanto para a atribuição quanto para a projeção de mudanças climáticas. O primeiro é o desenvolvimento de um conjunto abrangente e bem coordenado de simulações de 18 grupos de modelagem do mundo todo, para estudo da evolução histórica e futura do clima terrestre. Utilizar vários modelos ajuda a quantifi car os efeitos das incertezas em vários processos climáticos no âmbito da simulação de modelos. Embora certos processos sejam bem compreendidos e bem representados por equações físicas (o fluxo da atmosfera e do oceano ou a propagação da luz e calor do Sol, por exemplo), alguns dos componentes mais críticos do sistema climático são menos entendidos, como as nuvens, as marés oceânicas e a transpiração da vegetação. Os especialistas em modelagem fazem aproximações para esses componentes, usando representações simplifi cadas chamadas parametrizações. A principal razão para desenvolver um conjunto de múltiplos modelos para as avaliações do IPCC é entender como a incerteza afeta a atribuição e a predição das mudanças climáticas. O conjunto da última avaliação contém um número sem precedentes de modelos e de experimentos realizados.

O segundo avanço é a incorporação aos modelos de representações mais realísticas dos processos climáticos. Esses processos incluem o comportamento dos aerossóis atmosféricos, a dinâmica (movimentos) do gelo marinho e a troca de água e energia entre o solo e a atmosfera. Hoje, há mais modelos que incluem os principais tipos de aerossóis e as interações entre eles e as nuvens.
IStockphoto
Quando os cientistas utilizam modelos climáticos para estudos de atribuição, primeiramente rodam modelos de simulações somente com estimativas das infl uências naturais no clima nos 100 últimos anos, como variações nas atividades solares e grandes erupções vulcânicas. Depois rodam os modelos que incluem aumentos nos gases de efeito estufa e nos aerossóis induzidos pelo homem.

Os resultados desses experimentos são surpreendentes . Modelos que utilizam somente forçantes naturais não conseguem explicar o aquecimento global observado desde a metade do século 20 mas, quando incluem os fatores antropogênicos e os naturais, são bem-sucedidos. Padrões de grande escala de variações de temperatura também mostram que há mais consistência entre os modelos e as observações quando todas as forçantes são incluídas.

Dois padrões atestam a marca da influência humana. O primeiro é o maior aquecimento sobre os continentes do que sobre o oceano, e maior aquecimento na superfície do mar do que em camadas mais profundas. Esse padrão é consistente com o aquecimento induzido por gases de efeito estufa numa atmosfera em camadas: o oceano se aquece mais rapidamente por causa de sua grande inércia térmica. O aquecimento também indica que uma grande quantidade de calor está sendo absorvida pelo oceano, demonstrando que o reservatório de energia do planeta está desequilibrado. O segundo padrão de mudanças é que, enquanto a troposfera (a parte mais baixa da atmosfera) tem se aquecido, a estratosfera tem esfriado. Se a forçante dominante fosse causada por variações solares, o aquecimento seria esperado nas duas camadas. O contraste observado, no entanto, é exatamente o esperado pela combinação do aumento de gases de efeito estufa com a diminuição do ozônio estratosférico. Essa evidência coletiva, quando submetida a análises estatísticas cuidadosas, é responsável por boa parte da base que faz aumentar a certeza de que os efeitos humanos estão por trás do aquecimento global. As sugestões de que os raios cósmicos poderiam afetar as nuvens e, conseqüentemente, o clima se basearam em correlações que utilizavam registros limitados; em geral, elas não se sustentaram quando novos dados foram incluídos nos testes, e seus mecanismos físicos continuam especulativos.

E em relação às escalas menores? À medida que as escalas espacial e temporal diminuem, fica mais difícil atribuir as mudanças climáticas. Esse problema aparece porque as variações naturais de temperatura em pequena escala são menos “promediadas” e assim mascaram mais rapidamente o sinal analisado. No entanto, aquecimento continuado signifi ca que o sinal está emergindo em escalas menores. O relatório verifi cou que é provável que a atividade humana tenha afetado significativamente a temperatura em todos os continentes, menos a Antártida.
A influência do homem é perceptível também em alguns eventos extremos, como noites supreendentemente quentes ou frias, e a incidência de ondas de calor. É claro que isso não signifi ca que eventos extremos isolados (como a onda de calor na Europa em 2003) sejam simplesmente “causados” por mudanças climáticas induzidas pelo homem – geralmente esses eventos são complexos, com várias causas associadas. Mas significa que as atividades humanas tenham, muito provavelmente, afetado as chances de tais eventos ocorrerem.

Projeções de Mudanças Futuras
Como serão as mudanças climáticas no século 21? Essa questão crítica é discutida com simulações de modelos climáticos, baseados em projeções de futuras emissões de gases de efeito estufa e de aerossóis. As simulações sugerem que, para as emissões nas taxas atuais ou acima delas, muito provavelmente as mudanças no clima serão muito maiores do que as já observadas durante o século 20. Mesmo se as emissões fossem imediatamente reduzidas o bastante para estabilizar as concentrações de gases nos níveis atuais, as mudanças se arrastariam por séculos. Essa inércia no clima resulta de uma combinação de fatores, como a capacidade térmica dos oceanos do globo e as escalas de tempo milenares necessárias para que a circulação misturasse calor e dióxido de carbono nas profundezas do oceano e, dessa forma, entrasse em equilíbrio com as novas condições.

Em outras palavras, os modelos prevêem que ao longo dos próximos 20 anos, para uma faixa de emissões plausíveis, a temperatura global vai aumentar a uma taxa média de cerca de 0,2oC por década, próxima à observada ao longo dos últimos 30 anos. Cerca de metade desse aquecimento de curto prazo representa um “comprometimento” com as mudanças climáticas futuras, que surgirão da inércia da resposta do sistema climático às concentrações atmosféricas atuais dos gases de efeito estufa.
O aquecimento de longo prazo durante o século 21, no entanto, depende fortemente das futuras taxas de emissões – e as projeções cobrem uma ampla variedade de cenários, que variam de crescimentos econômicos muito rápidos a mais modesto e da maior ou menor dependência dos combustíveis fósseis. As melhores estimativas do aumento das temperaturas globais variam de 1,8oC a 4,0oC, com emissões maiores levando a temperaturas mais altas. Com relação aos impactos regionais, as projeções são mais confiáveis que nunca, e eles irão refletir os padrões de mudança observados ao longo dos últimos 50 anos (maior aquecimento sobre os continentes do que sobre os oceanos, por exemplo), mas a magnitude das mudanças será maior do que tem sido até agora.

As simulações também sugerem que a remoção de excesso de dióxido de carbono da atmosfera por processos naturais sobre os continentes e os oceanos se tornará menos eficiente à medida que o planeta se aquece. Essa mudança levará a uma porcentagem mais alta de dióxido de carbono emitido que permanecerá na atmosfera, o que irá acelerar o aquecimento global no futuro. Esse é um retorno positivo importante sobre o ciclo do carbono (o intercâmbio de compostos de carbono por todo o sistema climático). Embora os modelos concordem que as mudanças no ciclo do carbono representam um retorno positivo, a faixa de respostas continua muito grande, dependendo, entre outras coisas, de variações pouco conhecidas do seqüestro de carbono pela vegetação ou pelo solo, à medida que o clima se aquece. Esses processos são tópicos importantes de pesquisas em andamento.

Os modelos também prevêem que as mudanças climáticas afetarão as características físicas e químicas dos oceanos. As estimativas da elevação do nível do mar durante o século 21 variam entre 30 cm e 40 cm, dependendo das emissões. Cerca de 60% desse aumento é causado pela expansão térmica da água do oceano. No entanto, essas estimativas baseadas em modelos não incluem a possível aceleração do aumento nas perdas de gelo, observado recentemente nas camadas de gelo da Groenlândia e da Antártida. Embora a compreensão científica desses efeitos seja muito limitada, eles poderiam representar de 10 cm a 20 cm a mais para o aumento do nível do mar, e a possibilidade de que ocorram elevações signifi cativamente maiores não está descartada. A química dos oceanos também é afetada, na medida em que o aumento nas concentrações de dióxido de carbono da atmosfera os torna mais ácidos.

Algumas das maiores mudanças estão previstas para as regiões polares, incluindo aumentos significativos nas temperaturas em latitudes altas dos continentes, degelo das regiões de permafrost e violentas reduções nas extensões do gelo marinho no verão, na bacia do Ártico. Latitudes mais baixas provavelmente sofrerão mais ondas de calor, precipitações torrenciais e furacões e tufões mais fortes (mas talvez menos freqüentes). Até que ponto os furacões e tufões poderão se tornar mais violentos é tema de novas pesquisas.
É claro que algumas dúvidas importantes ainda permanecem. Por exemplo, como as nuvens vão se comportar com o aumento da temperatura? Esse é um item crítico que afeta todas as dimensões das previsões do aquecimento, e o conhecimento que se tem sobre a complexidade das nuvens ainda é muito precário.

Agora estamos vivendo numa era na qual tanto os efeitos do homem quanto da Natureza afetam a evolução futura da Terra e de seus habitantes. Infelizmente, a bola de cristal fornecida pelos nossos modelos climáticos fi ca turva para previsões além de um século ou pouco mais. Nosso conhecimento limitado às respostas tanto dos sistemas naturais quanto da sociedade aos impactos crescentes das mudanças climáticas completa nossas incertezas. No entanto, uma coisa é certa sobre o aquecimento global: as plantas, os animais e as pessoas viverão com as conseqüências das mudanças climáticas por pelo menos mais mil anos.