domingo, 8 de julho de 2007

O Argumento da Saturação Gasosa

Postagem convidada de Spencer Weart em colaboração com Raymond T. Pierrehumbert

As explicações simples de física para o efeito estufa que se encontra na internet estão freqüentemente muito erradas. Estes erros podem promover a confusão sobre se a humanidade de fato causa o aquecimento global por adicionar dióxido de carbono à atmosfera. Algumas pessoas têm argumentado que a simples física mostra que já há tanto CO2 no ar que seu efeito sobre a radiação infravermelho é "saturado" — significando que ao adicionar mais gás faria pouca diferença na quantidade de radiação absorvida pela atmosfera, desde que toda a radiação já é bloqueada. E além do mais, não é o vapor de água que bloqueia todos os raios infravermelhos que o CO2 deveria bloquear?

Os argumentos soam bem, tão bem que aliás ajudaram a suprimir as pesquisas do efeito de estufa por meio século. Em 1900, pouco depois de Svante Arrhenius publicar seu inovador argumento de que nosso uso de combustíveis de fósseis eventualmente aqueceria a planeta, outro cientista, Ångström Knut, pediu a um assistente, Herr J. Koch, para fazer uma simples experiência. Ele enviou radiação infravermelho por um tubo preenchido com dióxido de carbono, contendo similar quantidade de gás que teria uma coluna de ar até o topo da atmosfera. Isso não é muito, desde que a concentração no ar é de apenas algumas centenas de partes por milhão. Herr Koch fez suas experiências num tubo de 30cm, embora 250cm teria sido mais próximo ao comprimento correto para representar a quantia de CO2 na atmosfera. Herr Koch encontrou que quando a concetração de gás no tubo era reduzida a um terço, a quantidade de radiação que passava havia mudado pouco. A comunidade meteorológica americana foi alertada pelos resultados de Ångström num comentário que apareceu em junho, na edição da revista “Revisão Mensal de Tempo” de 1901, que usou o resultado para advertir aos "geólogos" a não aderir às selvagens idéias de Arrhenius.

Ainda mais persuasivo para os cientistas do dia era o fato que o vapor d´água, que é muito mais abundante no ar que o dióxido de carbono, também intercepta radiação infravermelho. No espectro infravermelho, as faixas principais onde cada gás bloqueia radiação se sobrepõem. Como poderia o adicionar de CO2 afetar a radiação em faixas do espectro que a H2O (sem mencionar o próprio CO2) já afetou? Como estas idéias espalham, mesmo cientistas que tinham se estusiasmado pelo trabalho do Arrhenius decidiram que ele estava errado. Os trabalhos sobre essa questão ficaram estagnados. Se não havia uma visão "estabelecida" do efeito de estufa, havia confiança de que o CO2 emitido por seres humanos não poderia afetar nada tão grandioso como o clima da Terra.

Ninguém estava interessado em pensar profundamente a questão para notar o erro no argumento. Os cientistas olhavam o aquecimento no nível do solo, por falar, questionando-se sobre a radiação que chega e deixa a superfície da Terra. Como Ångström, eles tenderam a tratar o topo da atmosfera como uma unidade, como se fosse uma única placa de vidro. (Por isso a analogia de "estufa"). Mas isto não é como o aquecimento global realmente funciona.

O que acontece à radiação infravermelho emitida pela superfície da Terra? Ao se mover para cima camada a camada pela atmosfera, uma porção é retida em cada camada. Para ser específico: uma molécula de dióxido de carbono, vapor de água ou algum outro gás estufa absorve um pouco de energia da radiação. A molécula pode irradiar a energia de volta numa direção aleatória. Ou pode transferir a energia em velocidade e colisões com outras moléculas do ar, de modo que a camada de ar fica mais quente. A camada de ar irradia alguma energia que absorveu de volta em direção ao solo e para algumas camadas mais altas acima. Ao ir mais alto, a atmosfera fica mais rarefeita e mais fria. Eventualmente a energia alcança uma camada tão fina que permite essa radiação escapar para o espaço.

O que acontece se adicionamos mais dióxido de carbono? Nas camadas altas e rarefeitas nas quais muito da radiação de calor vindo de baixo passa, adicionando mais moléculas de gás estufa significa que a camada absorverá mais raios. Então o lugar em que a maioria da energia de calor finalmente deixa a Terra muda para as camadas ainda mais altas. Essas são camadas mais frias, então elas não irradiam calor também. O planeta como um todo absorve mais energia do que irradia (que é aliás nossa situação atual). Como os níveis mais altos irradiam algum excesso de volta para baixo, todos os níveis mais baixos até a superfície esquentam. O desbalanço deve continuar até que os níveis mais altos fiquem suficientemente quentes para irradiar a energia para fora a medida em que o planeta recebe energia.

Qualquer saturação em níveis mais baixos não mudaria isto, pois são as camadas pelas quais a radiação escapa que determinam o equilíbrio de calor da planeta. A lógica básica foi precisamente explicada por John Tyndall em 1862: "Como uma represa construída num rio causa um aumento da profundidade local do rio, nossa atmosfera, com uma barreira de raios [infravermelho] terrestres, produz um aumento local da temperatura na superfície da Terra".

Mesmo uma explicação simples difícilmente serve em todas suas implicações, e os cientistas só trabalharam isso parcialmente. Primeiro tiveram que entender que valia a pena em absoluto pensar sobre o dióxido de carbono. O fato de que o vapor d´água bloqueia completamente a radiação infravermelho não significava que qualquer mudanças no CO2 fossem sem sentido? Outra vez, os cientistas daquela época foram pegados na armadilha de pensar na atmosfera como uma única placa. Embora soubessem que quanto mais alto, mais seco fica o ar, eles só consideraram o vapor total de água na coluna.

Os avanços que finalmente põem o campo de volta na pista correta vieram de pesquisas realizadas durante os anos de 1940. Oficiais militares prodigamente financiaram pesquisas nas camadas altas do ar onde seus aviões de bombardeio operaravam, camadas atravessadas pela radiação infravermelho que eles talvez usassem para detectar os inimigos. A análise teórica da absorção avançou com resultados confirmados por estudos de laboratório usando técnicas muito superiores às de Ångström. Os desenvolvimentos resultantes estimularam o novo pensar, mais claro, sobre a radiação atmosférica.

Entre outras coisas, os novos estudos mostraram que na fria e rarefeita atmosfera superior, onde a crucial absorção no infravermelho acontece, a natureza da absorção é diferente do que cientistas supunham pelas ultrapassadas medidas ao nível do mar. Tome uma única molécula de CO2 ou H2O. Ela absorverá luz somente numa faixa de comprimentos de onda específicos, que aparecem como pequenas linhas escuras no espectro. Um gás a temperatura e pressão ao nível do mar, as incontáveis moléculas chocando entre si em velocidades diferentes, cada uma absorve em comprimentos de onda levemente diferentes, então as linhas são alargadas e se sobrepõem a uma extensão considerável. Mesmo sob pressão ao nível do mar, a absorção é concentrada em picos discretos, mas as lacunas entre os picos são claramente estreitas e os "vales" entre os picos não estão absurdamente fundos. (Veja Parte II ) Nada disto era sabido há um século. Com os instrumentos infravermelhos primitivos disponíveis no início do século 20, os cientistas viam a absorção espalhada em faixas largas. E eles não tiveram nenhuma teoria para sugerir algo diferente.

As medidas feitas pela Aeronáutica dos EUA focaram a atenção dos cientistas aos detalhes da absorção, especialmente nas altas altitudes. Em baixa pressão os picos tornam-se muito mais definidos, como uma estaca de cerca. Há lacunas entre as linhas de H2O onde a radiação pode passar a menos que seja bloqueada pelas linhas do CO2. Além do mais, pesquisadores tinham se tornado cada vez mais cientes de como o ar muito seco chega às altitudes superiores — de fato a estratosfera tem quase nada de vapor de água em absoluto. Por outro lado, o CO2 é bem misturado por toda atmosfera, então quanto mais alto torna-se relativamente mais significativo. Os pontos principais podiam ter sido entendidos já por volta dos anos de 1930 se os cientistas tivessem olhado o efeito estufa mais cuidadosamente (aliás um físico, E.O. O Hulbert, fez um cálculo bastante bom, mas a questão era de interesse tão pequeno que ninguém notou).

Como vimos, nas camadas mais altas onde a radiação começa a passar facilmente, adicionando algum gás de efeito estufa deve aquecer a Terra mesmo sem considerar como a absorção funciona. As mudanças nas linhas de absorção de H2O e CO2 com pressão e temperatura só muda as camadas onde a ação principal acontece. Necessita-se levar tudo em conta para fazer um cálculo exato do aquecimento. Nos anos de 1950, depois que bons dados de infravermelho e computadores digitais tornaram-se disponíveis, o físico Gilbert Plass levou tempo do que parecia mais importante estudar através de longos cálculos de equilíbrio de radiação, camada por camada na atmosfera e ponto por ponto no espectro. Anunciou que ao adicionar CO2 realmente poderia elevar em aproximadamente um grau a temperatura global. Os cálculos do Plass eram demais primitivos para explicar muitos efeitos importantes. (Movimentos de energia de calor para cima não só por radiação mas por convecção, alguma radiação não é bloqueada por gás mas por nuvens, etc.) Mas para os poucos cientistas que prestaram atenção, estavam agora certos de que a questão precisava ser estudada. Mais décadas passariam antes dos cientistas começarem a dar uma explicação clara ao público sobre o que realmente estava ocorrendo nestes cálculos, direcionando a atenção às camadas altas e frias da atmosfera. Mesmo hoje, muitos tentam explicar o efeito estufa como se a atmosfera fosse uma única placa de vidro.

Em suma, o modo como a radiação é absorvida somente importa se quisemos calcular o grau exato de aquecimento — adicionar dióxido de carbono fará o efeito estufa mais forte sem considerar a saturação na atmosfera mais baixa. Mas de fato, a atmosfera da Terra não é sequer próxima de um estado de saturação. Com as técnicas primitivas do seu dia, Ångström teve um mau resultado experimental, como explicado no Parte II. Realmente, não está claro que teria apreciado a importância de seu resultado ainda que tivesse chegado a uma resposta correta para a variação da absorção com a quantidade de CO2. De seu escrito, é uma suposição bastante boa que ele havia pensado que uma mudança de absorção de um por cento ou então sobre dobrar CO2 fosse insignificante. Na realidade, um mero por cento de aumento, quando combinado adequadamente com o argumento "diminuindo e esfriando", adiciona 4 Watt por metro quadrado ao equilíbrio de radiação de planetas para a duplicação de CO2. Isso representa um por cento da energia solar absorvido pela Terra, mas é um “altamente” importante por cento para nós! Afinal de contas, um mero um por cento de mudança na temperatura de superfície da Terra de 280 Kelvin é 2,8 Kelvin (que é também 2,8 Célsius). E isso sem mesmo levar em conta a forçante radiativa de todas essas retro-alimentações amplificadoras, como aquelas devidas ao vapor d´água e do albedo de gelo.

Seja como for, Medidas modernas mostram que não há suficiente CO2 na atmosfera para bloquear a maioria da radiação infravermelho nas faixas do espectro onde o gás absorve. Esse é o mesmo caso para o vapor d´água em lugares onde o ar é muito seco. (Quando a noite cai num deserto, a temperatura é rapidamente derrubada de quente a congelação. A radiação de superfície escapa diretamente ao espaço, a menos que haja nuvens para bloqueá-la).

Então, se um amigo cético chega a você com o "argumento da saturação" contra o aquecimento global, aqui está tudo que precisa dizer: (A) Haveria um aumento no aquecimento estufa ainda que a atmosfera fosse saturada, porque é a absorção na atmosfera superior fina (que é insaturada) que conta. (B) Não é sequer verdadeiro que a atmosfera realmente está saturada com respeito a absorção por CO2. (C) O vapor d´água não oprime os efeitos do CO2 porque há pouco vapor d´água nas regiões altas, frias em que o infravermelho escapa, e sob baixas pressões nessa região a absorção do vapor d´água é como um filtro furado, que deixaria passar muito mais radiação, não fosse pelo CO2. E (d) estas questões foram satisfatoriamente endereçadas por físicos há 50 anos, e a física necessária é incluída em todos modelos de clima.

Então você pode ter uma visão, e imaginar quanto o mundo seria hoje diferente se estes argumentos tivessem sido entendidos nos idos de 1920, como eles bem podiam ter sido entendidos se alguma pessoa tivesse pensado sê-los suficientemente importantes para se pensar.

Para mais Leitura

Referências e uma história mais detalhada pode ser achada aqui e aqui.

Alguns aspectos do argumento "diminuindo e esfriando", e a importância do nível de radiação são achados em Semana Ocupada por Vapor D´água, que também contem uma discussão dos efeitos radiativos do vapor d´água no topo da atmosfera vs. O balanço de radiação na superfície. Uma discussão geral dos papéis relativos do vapor d´água e CO2 é dada em uma postagem de Gavin sobre o assunto.

Você pode ter uma boa idéia de como o CO2 e o vapor d´água afetam o espectro de radiação que escapa da Terra jogando online com o modelo de radiação de Dave Archer aqui. Ajudaria, naturalmente, ler a explicação dos níveis de radiação no livro de Archer, Entendendo a previsão. Uma discussão sobre os níveis de radiação para casos reais e idealizados, num nível mais avançado, pode ser achado no esboço do ClimateBook de Pierrehumbert; veja os Capítulos 3 e 4.

O artigo da Revisão Mensal do Tempo que comenta o trabalho do Ångström está aqui, e artigo original de Ångström aqui.

Fonte: Realclimate. Traduzido por Ivan Bergier T. Lima.

2 comentários:

Prof. Aurélio disse...

Saudações amigos, essas informações são de extrema valia e mUito interessaNtes para toda a população, realmente a emIssão do CO2 é um grande problema para o planeta e é necessário adotar medidas para impedir essa emissÃo desenfreada, é verdade que o efeito estufa é um prOcesso natural do nosso planeta, porém ele seria muito mas demorado e nós aceleramos de forma desenfreada esse acontecimento. Abraços.

Aurélio disse...
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