Resfriamento nos meados do século 20

Houve um resfriamento muito leve na temperatura média global da superfície por volta de 1940 a 1975. Embora a temperatura global tenha diminuído somente cerca de 0,1°C, esse período representa uma divergência em relação aos períodos de aquecimento de 1915 a 1940 e de 1975 até o presente.

Figura 1: Anomalia na temperatura global e diferentes tendências lineares até o século 21 (Open Mind)

Cientistas do clima acreditam que a causa principal desse resfriamento nos meados do século foi um aumento nos aerossóis atmosféricos devido às emissões antrópicas (principalmente a partir da queima de combustíveis fósseis). Aerossóis têm um efeito complexo no clima, pois causam tanto impactos diretos quanto indiretos.

Efeito direto

O efeito direto dos aerossóis no clima é o mecanismo pelo qual os aerossóis espalham e absorvem a radiação de ondas curtas e longas (também conhecido como "escurecimento global"), desta forma alterando o equilíbrio radiativo do sistema Terra-atmosfera. Os parâmetros chave para determinar a forçante radiativa direta são as propriedades óticas dos aerossóis e sua distribuição na atmosfera (IPCC 2007).

Efeito indireto

O efeito indireto dos aerossóis no clima é o mecanismo pelo qual eles modificam as características microfísicas e, portanto, as propriedades radiativas, quantidade, e duração das nuvens. Um parâmetro chave para determinar o efeito indireto dos aerossóis na temperatura global da superfície é a efetividade de uma partícula de aerossol atuar como um núcleo de condensação de nuvem - uma função do tamanho do aerossol, composição química, estado de mistura, e condições ambientais (IPCC 2007).

Figura 2: Diagrama dos mecanismos radioativos diretos e indiretos dos aerossóis (IPCC 2007)

Forçante radiativa

Nós podemos tentar quantificar os impactos das emissões de aerossóis antrópicas sobre a temperatura média global começando por examinando, inicialmente, a forçante radiativa associada. A forçante radiativa é uma medida da influência que um fator tem em alterar o equilíbrio entre entrada e saída de energia no sistema Terra-atmosfera. 

De acordo com o IPCC, a forçante radiativa total (direta + indireta) causada pelos aerossóis antrópicos varia entre -0,4 a 2,7 Watts por metro quadrado (W/m²), embora o valor mais provável seja de -1,2 W/m².

Figura 3: Forçante radiativa, a partir de várias fontes, em 2005 comparado com 1750 (IPCC 2007)

A forçante radiativa dos aerossóis, particularmente o efeito indireto no albedo das nuvens, é a maior fonte de incerteza entre todas as forçantes radiativas antrópicas. Contudo, tendo o leque de valores possíveis em mente, podemos ainda estimar o efeito de resfriamento causado por essas forçantes durante a metade do século 20. A maioria do aumento no sulfato atmosférico aconteceu durante esse período:

Figura 4: Concentração de aerossóis de sulfato atmosféricos em partes por bilhão (ppb) a partir do testemunho de gelo GISP2 (preto) vs. emissões antrópicas de sulfato (vermelho) desde 1800 (Open Mind).

A linha de base natural é, em geral, cerca de 30 ppb, com um aumento até cerca de 65 ppb no início do século 20. Então, de 1945 a 1970 (período de meados do século em questão), a concentração atmosférica de sulfato aumentou de 65 para 120 ppb. Isso nos diz que cerca de 60% do aumento total de sulfato a partir de 1800 ocorreram durante o período de resfriamento nos meados do século.

Forçante radiativa direta dos aerossóis

A mudança no fluxo solar refletido é proporcional à espessura ótica da camada dos aerossóis (Charlson et al. 1991).  

onde F_R é o fluxo solar refletido, Q_o é a constante solar (radiação solar total), T_i é a transmitância atmosférica, A_c é a cobertura fracionária das nuvens, β é a fração do fluxo superior disperso, e δ é a espessura ótica.

Usando Q_o = 1366 W/m², A_c = 0,61 para a média global de cobertura de nuvens, T_i = 0,76, e Rs = 0,15 (ver as referências para esses valores em Charlson et al. 1991), F_R é, aproximadamente, 32 vezes a espessura ótica.  Charlson et al. estimaram a espessura ótica como o produto da massa dos aerossóis pelo coeficiente  de dispersão da massa, e encontraram que, para céus sem nuvens, a espessura ótica é de, aproximadamente, 2,8x10^-2.  Então, pela fórmula acima, o fluxo solar refletido é de aproximadamente 0,9 W/m², o qual está no limite superior da faixa de valores do IPCC para a forçante radiativa direta dos aerossóis.

O efeito indireto do sulfato na formação das nuvens é mais complexo, mas vamos prosseguir sob a premissa de que a forçante radiativa total do sulfato é aproximadamente proporcional à concentração atmosférica de aerossóis de sulfato, a fim de obter uma estimativa aproximada com relação ao seu impacto no resfriamento dos meados do século. Em outras palavras, vamos assumir que um aumento de 60% na concentração atmosférica de sulfato corresponde a um aumento de 60% na forçante radiativa. Note também que os sulfatos não são os únicos aerossóis antrópicos, mas eles compreendem a maioria da forçante radiativa.

Aproximação do efeito de resfriamento dos aerossóis de sulfato

Com essas premissas em mente, aproximadamente 60% dos -0,4 a -2,7 W/m² da forçante  radiativa líquida dos aerossóis ocorreu durante a metade do século, ou -0,24 a -1,62 W/m², com um valor mais provável de -0.72 W/m². Para converter isso para uma mudança na temperatura da superfície, precisamos multiplicar pelo fato de sensibilidade climática (λ), o qual é de 0,54 a 1,2°C/(W/m²) (IPCC 2007). A relação entre mudança na temperatura da superfície (dT) e forçante radiativa (dF) é:

dT = λ*dF = (0,54 a 1,2)*(-0,24 a -1,62) = -0,13 a -1,9°C com um valor mais provável de -0,58°C

Também podemos comparar esta relação com da mudança na temperatura causada pelo CO₂ antrópico durante o período em questão:

dT = λ*dF = (0,54 a 1,2)*5,35*ln(331/308) = 0,21 a 0,46°C com um valor mais provável de 0,31°C

Além do CO₂, outras emissões antrópicas de gases estufa e o output solar durante esse período causaram um aquecimento adicional de ~0,15°C. Portanto, usando os valores mais prováveis calculados acima, esperaríamos ver um resfriamento de aproximadamente 0,1°C na temperatura global média da superfície, de 1940 a 1975. E, de fato, é isso o que observamos:

Figura 5: Temperatura média global das superfícies terrestres e dos oceanos (NASA GISS)

Dias frescos, noites quentes

Outra assinatura do resfriamento por aerossóis que compensa o efeito de aquecimento dos gases estufa é o aumento contínuo dos mínimos diárias das temperaturas noturnas, enquanto os máximos das temperaturas diurnas caem. Isso ocorre porque os aerossóis causam o escurecimento global pelo espalhamento da luz solar; um efeito que é muito mais influenciado durante o dia quando a radiação solar está bombardeando a superfície da Terra. À noite, os gases estufa continuam a absorver e reemitir a radiação térmica a partir da superfície da Terra, o que faz com que as temperaturas da superfície continuem aumentando apesar das temperaturas diurnas mais baixas causadas pelo escurecimento dos aerossóis.

Wild et al. (2007) investigaram esses efeitos e constataram que de 1958 a 1985, as temperaturas diurnas da superfície dos solos diminuíram a uma taxa de -0,04°C por década, mas as temperaturas noturnas subiram a uma taxa de 0,11°C por década. De 1982 a 2002, eles concluíram que as temperaturas diurnas da superfície dos solos subiram a uma taxa de 0,37°C por década, enquanto as temperaturas noturnas caíram em 0,40°C por década.

O fato de que as temperaturas noturnas continuaram a subir, enquanto as temperaturas diurnas caíram na metade do século é um forte indicador dos efeitos combinados dos aerossóis e das emissões de gases estufa antrópicos, enquanto que o aumento na taxa de aquecimento das últimas 3 décadas reflete o aumento na concentração atmosférica e na forçante radiativa dos gases estufa.

O que aconteceu desde 1975?

Claramente, desde cerca de 1975, as temperaturas globais da superfície têm seguido uma tendência de aumento (a uma taxa de aproximadamente 0,2°C por década). Então, o que fez com que o resfriamento da metade do século terminasse?

A principal causa da súbita mudança nas tendências da temperatura global foi a aprovação da lei do Ar Puro (Clean Air Acts) em vários países em resposta à poluição do ar e à chuva ácida. Os Estados Unidos, por exemplo, foram os primeiros a aprovar sua Lei do Ar Puro em 1970, com emendas em 1977 e 1990. Coincidentemente, a Suprema Corte dos Estados Unidos (em Massachusetts vs. EPA) e a Agência de Proteção Ambiental - EPA (em uma proposta de comprometimento), recentemente, também decidiram que os gases estufa se qualificam como 'poluentes do ar' na Lei do Ar Puro e devem ser regulados de acordo.

Sob a Lei do Ar Puro, as emissões de sulfato foram reguladas, e como consequência seu rápido aumento na atmosfera foi estabilizado por volta de 1975:

Figura 6: Emissões antrópicas globais de enxofre (Pacific Northwest National Labs)

Entretanto, as emissões de gases estufa antrópicas continuam a subir. Desde 1975, só a concentração de CO₂ atmosférico subiu de 331 para 392 partes por milhão por volume, o que corresponde a um aumento na temperatura de cerca de 0,7°C, embora tenhamos visto somente cerca de 0,55°C de aumento nesse período devido à inércia térmica dos oceanos e ao efeito denominado 'warming in the pipeline'.

O resfriamento dos meados do século foi principalmente antrópico

Para resumir, as emissões de enxofre antrópicas parecem ser a principal causa do resfriamento dos meados do século. Essas emissões reduziram a temperatura média global da superfície em aproximadamente 0,5°C durante esse período, enquanto as emissões de gases estufa antrópicas causaram um aquecimento de cerca de 0,4°C. Portanto, mesmo que as emissões de gases estufa continuassem a ter um efeito de aquecimento durante esse período, este teria sido atenuado (oculto) pelas emissões antrópicas de aerossóis, até que essas emissões fossem mantidas sob controle pela intervenção do governo, enquanto as emissões de gases estufa continuariam a subir de forma inabalável. Em outras palavras, o resfriamento dos meados do século é, na verdade, um resultado esperado com base no nosso conhecimento atual na ciência do clima, e foi previsto com sucesso pelo modelos climáticos (Meehl 2004).

Figura 7: Mudança na forçante radiativa antrópica mais natural vs. só natural vs. aumento observado da temperatura global da superfície (Meehl 2004)

Contudo, o impacto total dos aerossóis de sulfato, particularmente devido a seus efeitos indiretos via formação de nuvens, permanece como uma fonte significativa de incertezas. Apesar dessa incerteza, eles continuam sendo a causa dominante mais provável do ligeiro resfriamento dos meados do século.

Última atualização em 16 de Setembro de 2010 por dana1981.