A sensibilidade climática descreve quão sensível é o clima global a uma variação da quantidade de energia que atinge a superfície da Terra e a baixa atmosfera (esta variação é também conhecida como forçante radiativa). Por exemplo, nós sabemos que se a quantidade de dióxido de carbono (CO₂) na atmosfera terrestre for dobrada em relação aos níveis préindustriais de 280 partes por milhão (ppmv), atingindo 560 ppmv, isso causará um desequilíbrio energético através do aprisionamento de parte da radiação térmica que normalmente sai do nosso planeta. Isso, por si só, seria capaz de aquecer a superfície em cerca de 1,2 ºC. Entretanto, temos ainda que tomar em conta os feedbacks, por exemplo o derretimento do gelo que faz o planeta ficar menos reflexivo, e a atmosfera mais quente que comportaria mais vapor d'água (outro gás estufa).

 A sensibilidade climática é quanto o planeta vai aquecer quando considerarmos os vários feedbacks afetando o clima global. A fórmula em questão é

dT = λ*dF

Onde 'dT' é a mudança na temperatura de superfície da Terra, 'λ' é a sensibilidade climática, normalmente com unidades de Kelvin ou graus centígrados por Watt por metro quadrado (°C/[W m-2]), e 'dF' é a forçante radiativa, que é discutida em mais detalhe no artigo sobre o argumento de que 'O efeito do CO₂ é fraco'.

A sensibilidade climática não é específica para o CO₂

É importante notar que a variação de temperatura da superfície é proporcional à sensibilidade à forçante radiativa (em W m-2), independente da fonte do desequilíbrio energético. A sensibilidade climática a diferentes forçantes radiativas muda dependendo da eficácia da forçante, mas nenhuma delas é significativamente mais eficaz do que os próprios gases estufa.

 A figura acima compara a eficácia de várias forçantes, comparadas com os gases estufa (LLGHG). Cada letra indica o valor alcançado por um estudo diferente. Percebe-se que os valores alcançados pelos gases estufa são maiores do que a grande maioria dos demais.

Em outras palavras, se você argumentar que a Terra tem uma baixa sensibilidade climática ao CO₂, você está argumentando que a sensibilidade também é baixa a várias outras influências, como a irradiância solar, mudanças orbitais (ciclos de Milankovich) ou emissões vulcânicas. Assim, quando alguém argumenta pela baixa sensibilidade climática, fica difícil explicar as várias mudanças do clima que ocoreram no passado. Por exemplo, entre perídos glaciais e interglaciais, a média de mudança de temparatura global foi da ordem de 6 ºC (e algo como 8-10 ºC na Antártica). Se a sensibilidade climática é baixa, por exemplo devido ao hipotético aumento de nuvens de baixa altitude que reflitiriam mais luz do sol, então como explicar estas grandes mudanças climáticas do passado?

Figura 2: temperaturas antárticas ao longo dos últimos 450.000 anos medidas a partir de núcleos de gelo.

Quais são os valores prováveis de sensibilidade climática?

O quarto relatório do IPCC resumiu a sensibilidade climática como "provavelmente entre 2 e 4,5 ºC, com uma melhor estimativa em 3 ºC, e é muito improvável que seja menos que 1,5 ºC. Valores substancialmente mais altos que 4,5 ºC não podem ser excluídos, mas a concordância entre os modelos e as observações não é boa para estes valores."

Estudos individuais calcularam essa sensibilidade com valores variando de 0,5 ºC até 10 ºC; entretanto, em consequência dos dados obervacionais cada vez melhores, os valores muito altos ou muito baixos têm parecido cada vez mais improváveis. Na verdade, conforme a climatologia se desenvolveu, as estimativas foram convergindo a cerca de 3 ºC. Um resumo dos estudos recentes de sensibilidade climática pode ser encontrado aqui.

Um estudo liderado por Stefan Rahmstorf concluiu que "muitos modelos extremamente aprimorados foram desenvolvidos por diferentes centros de pesquisa do clima em todo o mundo. Os modelos climáticos no estado-da-arte encontram valores de 2,6 a 4,1 ºC, a maioria se agrupando em torno de 3 ºC" (Rahmstorf 2008). Vários estudos colocaram o limite mínimo da sensibilidade climática em cerca de 1,5 ºC. Por outro lado, vários outros estudos encontraram que uma sensibilidade maior que 4,5 ºC não pode ser excluída.

Um estudo de 2008 liderado por James Hansen concluiu que a sensibilidade climática a "processos de feedback rápido" é 3 ºC, mas quando incluímos os feedbacks de longo prazo (como a desintegração dos mantos de gelo, migração da vegetação, e liberação de gases estufa por solos, tundra e oceano), e se o CO2 atmosférico permanecer naquele valor dobrado, a sensibilidade aumenta para 6 ºC baseado em dados de paleoclima (clima ao longo da história da Terra).

Quais são os limites para o valor da sensibilidade climática?

Paleoclima

O principal limite ao valor da sensibilidade é que ele tem que ser consistente com os dados de paleoclima. Um sensibilidade baixa demais seria inconsistente com as mudanças climáticas do passado - basicamente, se houvesse algum grande feedback negativo que fizesse a sensibilidade final baixa demais, isso teria impedido o planeta de fazer a transição entre os períodos glaciais e interglaciais, por exemplo. Da mesma forma, uma sensibilidade climática alta demais teria causado mudanças climáticas maiores e mais frequentes.

Um estudo recente examinando o PETM (Máximo Térmico do Paleoceno-Eoceno), período em que o planeta se aqueceu em cerca de 5-9 ºC, concluiu que "com os valores aceitos de sensibilidade climática, o aumento de CO2 pode explicar apenas 1 a 3,5 ºC do total de aquecimento inferido dos testemunhos de paleoclima" (Zeebe 2009). Isso sugere que a sensibilidade climática pode ser mais alta que o que imaginamos hoje, mas provavelmente não é mais baixa.

Respostas recentes a grandes erupções vulcânicas

Climatologistas também tentaram estimar a sensibilidde climática baseada na resposta a grandes erupções vulcânicas recentes, como a do Monte Pinatubo em 1991. Wigley et al. (2005) concluiu que:

"Os resfriamentos causado pelas erupções do Agung, El Chichón e Pinatubo foram calculados em modelos climáticos, e comparados com as observações. Disso resultaram sensibilidades climáticas que são consistentes com aquelas indicadas no relatório do IPCC, no intervalo de 1,5 ºC a 4,5 ºC. O resfriamento associado ao Pinatubo parece requerer uma sensibilidade acima do limite inferior de 1,5 ºC, e nenhuma das erupções observadas exclui uma sensibilidade acima de 4,5 ºC."

Da mesma forma, Foster et al. (2006) como segue:

"Concluímos por uma parâmetro de feedback climático de 2,3 ± 1,4 W m^-2 K^-1. Isso corresponde a uma faixa de 1,0-4,1 ºK para o aquecimento de equilíbrio causado pelo dobro de dióxido de carbono."

Respostas recentes ao ciclo solar de 11 anos

Tung & Camp (2007) observaram que:

"o aumento anual da forçante radiativa na baixa atmosfera entre o mínimo e o máximo solares é o equivalente ao aumento de 1% de gases estufa em um ano, numa taxa de aumento similar àquelas usadas em cenários de emissões [Houghton et al., 2001]. Assim, é interessante comparar a magnitude e o padrão das respostas observadas ao ciclo solar ao aquecimento transiente esperado devido ao aumento de gases estufa em cinco anos."

Assim, Tung e Camp puderam usar os dados de irradiância solar coletados por satélites ao longo de 4 ciclos e meio para calcular um sensibilidade climática de 2,3-4,1 ºC para o dobro de CO₂, baseado em dados empíricos e independente de modelos.

Outros dados empíricos

Gregory et al. (2002) usou as mudanças de temperatura no interior dos oceanos, temperaturas de superfície medidas desde 1860, e estimativas de forçantes antrópicas e naturais do clima para estimar sua sensibilidade climática. Eles concluíra:

"... nós obtivemos um intervalo de confiança de 90%, cujo limite inferior (o 5º percentil) é 1,6 ºK. A mediana é 6,1 ºK, acima do intervalo aceito de 1,5-4,5ºK; a moda é 2,1 ºK."

Examinando projeções de temperatura feitas no passado

Em 1988, o climatologista da NASA Dr. James Hansen produziu um estudo inovador no qual ele idealizou um modelos climático global que calculou o aquecimento futuro baseado em três diferentes cenários de emissões de CO₂, chamados de A, B e C (Hansen 1988). Agora, depois de mais de 20 anos, nos podemos avaliar as projeções de Hansen.

O modelo de Hansen presumiu uma sensibilidade climática um tanto elevada, de 4,2 ºC para o dobro de CO₂. Seu cenário B foi o mais próximo da realidade, pois nele a forçante radiativa usada no cálculo foi apenas 10% acima da forçante realmente observada no período. A tendência de aquecimento prevista neste cenário de 1988 a 2010 foi cerca de 0,26 ºC por década, enquanto o aumento medido de temperatura no mesmo período foi de 0,18 ºC por década, ou cerca de 30% abaixo do cenário B.

Portanto, o que o modelo de Hansen e as observações do mundo real no dizem é que a sensibilidade climática é cerca de 30% menor do que 4,2 ºC. Ou, novamente, bem próximo dos 3 ºC tidos como a melhor estimativa da sensibilidade climática. Para maiores detalhes, veja a resposta ao argumento de que "A previsão de Hansen de 1988 estava errada".

Análise probabilística

Annan & Hargreaves (2009) investigaram várias estimativas probabilísticas de sensibilidade climática, muitas das quais sugeriram uma "alta probabilidade preocupante" (maior que 5%) de que a sensibilidade seria maior que 6 ºC para o dobro de CO₂. Usando uma abordagem estatística bayesiana, este estudo concluiu que

"os altos valores que resistem em todas as estimativas recentes de sensibilidade climática simplesmente desaparecem, num limite superior de probabilidade de 95% (...) que demostra-se facilmente que ficar perto de 4 ºC, e certamente bem abaixo de 6 ºC."

Annan e Hargreaves concluíram que a sensibilidade climática para o dobro de CO₂ atmosférico seja provalvelmente próximo de 3 ºC. Pode ser mais alta, mas é improvável que seja muito menor.

Figura 3: distribuição da probabilidade da sensibilidade climática para o dobro de CO₂ atmosférico.

Resumo dos resultados

Knutti & Hegerl (2008) apresentam um panorama abrangente e sucinto da nossa compreensão científica da sensibilidade climática. Em seu trabalho, eles apresentam uma figura que resume, em uma só imagem, como métodos tão variados para se estimar a sensibilidade produziram resultados consistentes, como mostrado abaixo. Como se pode observar, as várias metodologias são largamente consistentes com o intervalo de 2-4,5 ºC, com poucos métodos permitindo ainda a possibilidade de valores baixos, enquanto muitos não podem descartar os valores altos.

Figura 4: A distribuição de probabilidades e intervalos de temperatura para a sensibilidade climática a partir de diferentes linhas de investigação. O círculo indica o valor mais provável. As linhas estreitas indicam o intervalo de temperatura que compreende 95% de probabilidade. As linhas grossas indicam o intervalo provável, incluindo 66% de probabilidade. As linhas tracejadas indicam que não há limitador seguro para o limite superior da sensibilidade. As faixas suaves azul-claras indicam o intervalo tomado pelo IPCC como provável em seu quarto relatório (2-4,5 ºC).

E o que tudo isso significa?

De acordo com um recente estudo do MIT (Massachusetts Institute of Technology), nós estamos no momento a caminho de dobrar a concentração de CO₂ atmosférico provavelmente na metade do século XXI ou poucas décadas depois.

Figura 5: Projeção da quantidade de CO₂, tomados os valores decadais médios. As linhas contínuas vermelhas são a mediana, linha de 5% e 95% do estudo do MIT. As linhas tracejadas azuis são as mesmas da projeção do MIT feita em 2003.

Assim, a menos que mudemos nosso curso de ação, teremos um provável aquecimento acelerado no século XXI. A maioria dos climatologiastas concordam que um aquecimento de 2 ºC é o "limite do perigo". A figura 6 mostra o aumento de temperatura para cada concentração de CO2. A área cinza-escura indica o intervalo provável da sensibilidade climática como 2-4,5 ºC.

Figura 6: Relação entre o CO2 atmosférico e os principais impactos associados ao correspondente aumento de temperatura. O aquecimento mais provável é indicado para uma sensibilidade climática de 3 ºC. O intervalo provável é mostrado como 2-4,5 ºC. Alguns impactos principais em vários setores e diferentes temperaturas são indicados na parte superior da figura (Knutti & Hegerl 2008)

Se conseguirmos estabilizar os níveis de CO₂ em 450 ppmv (a concentração em 2013 foi de 396 ppmv), de acordo com a melhor estimativa, teremos uma chance menor que 50% de atingir os 2 ºC. Os impactos principais associados a 2 ºC de aquecimento podem ser vistos na parte superior da figura 6. Como a sensibilidade baixa (menor que 1,5 ºC) é muito improvável, nós estamos a caminho de um aquecimento significativo nas próximas décadas.

Como afirmaram os cientistas do RealClimate:

"Um aquecimento global de 2 ºC tornaria a Terra mais quente do que ela foi em milhões de anos, uma ruptura das condições climáticas que se mantiveram estáveis por um tempo maior do que a história da agricultura humana. Com apenas os 0,8 ºC de aquecimento atuais, secas já afligem a Austrália, o gelo ártico já está se esvaindo, e já há maiores danos causados por tempestades. Chamar 2 ºC de "limite de perigo" nos parece equivalente a ignorar a gravidade do aquecimento mesmo abaixo desta temperatura."