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Ciências da Terra e do espaço do ensino médio · শ্রেণি 10–12

28A mudança do clima: observações, causas e projeções

No alto da encosta norte do Mauna Loa, um vulcão no meio do oceano Pacífico, um conjunto de prédios brancos se ergue sobre a lava nua, a $3397\,\mathrm{m}$ acima do mar. Lá em cima, acima da camada de ar poluída pela ilha abaixo e a milhares de quilômetros de qualquer grande cidade, o ar é quase tão limpo e bem misturado quanto a atmosfera do planeta inteiro. Desde março de 1958, o seu gás carbônico é medido quase sem interrupção. O registro começou como o projeto de um químico; ele se tornou a curva mais famosa das ciências da Terra. Este capítulo lê essa curva e os outros registros do clima, explica como uma mudança no ar muda o balanço de energia do planeta, como os cientistas decidem o que causou o aquecimento que eles observam, e o que eles projetam para as próximas décadas.

O Observatório de Mauna Loa, no Havaí, sobre antigos derrames de lava no alto do flanco norte do vulcão. Fotografia: Brian Vasel, NOAA (domínio público).

O que você já sabe

A Terra recebe energia do Sol como luz e perde a mesma quantidade, em média, para o espaço como radiação infravermelha; a fração da luz do Sol refletida é o albedo (Capítulo 3). Os gases de efeito estufa — vapor de água, gás carbônico, metano — absorvem parte do infravermelho que a superfície emite e devolvem parte dele para baixo; esse efeito estufa mantém a superfície muito mais quente do que ela seria sem ele (os livros de química, e o Livro 1, 9º ano). Os testemunhos de gelo guardam bolhas de ar antigo e registram os ciclos glaciais dos últimos 800 000 anos (Capítulo 27).

28.1 Os registros

O teor de gás carbônico do ar em Mauna Loa: médias mensais (linha) e médias anuais (pontos), em partes por milhão (ppm) de ar seco. Dados: NOAA Global Monitoring Laboratory e Scripps Institution of Oceanography.

Proposição 28.1 (O registro do gás carbônico)

Em Mauna Loa, a concentração média anual de gás carbônico subiu de $316.0\,\mathrm{ppm}$ em 1959 para $427.4\,\mathrm{ppm}$ em 2025, e a subida está se acelerando: a concentração cresceu cerca de $0.9\,\mathrm{ppm}$ por ano na década de 1960 e cerca de $2.6\,\mathrm{ppm}$ por ano entre 2015 e 2025. Todo ano, a concentração também oscila cerca de $7\,\mathrm{ppm}$ : ela é máxima em maio e mínima em setembro.

Observação 28.2 (Por que a curva tem dentes)

A oscilação anual é a respiração da vegetação do Hemisfério Norte, onde está a maior parte das plantas terrestres. Na primavera e no verão, as plantas absorvem pela fotossíntese mais gás carbônico do que elas e o solo liberam; no outono e no inverno, a decomposição e a respiração vencem. A subida de um ano para o outro é outra história: é o carbono dos combustíveis fósseis e das florestas derrubadas se acumulando no ar.

Proposição 28.3 (Mais alto do que em pelo menos dois milhões de anos)

Ao longo dos últimos 800 000 anos, as bolhas de ar do gelo antártico registram concentrações de gás carbônico entre cerca de $174\,\mathrm{ppm}$ , nos períodos glaciais mais frios, e $299\,\mathrm{ppm}$ , nos interglaciais mais quentes. O valor de hoje fica mais de $100\,\mathrm{ppm}$ acima do mais alto deles. As avaliações afirmam que a concentração em 2019 era mais alta do que em qualquer momento de pelo menos os últimos dois milhões de anos (alta confiança).

O gás carbônico do gelo antártico ao longo de 800 000 anos: os ciclos glaciais o fazem variar entre cerca de 180 e 300\, ppm. O pico fino na extremidade direita é o gelo mais jovem, que registra o início da subida atual, até o ano de 2001. Dados: Bereiter e colaboradores (2015), NOAA Paleoclimatology. — O gás carbônico do gelo antártico ao longo de 800 000 anos: os ciclos glaciais o fazem variar entre cerca de 180 e $300\,\mathrm{ppm}$ . O pico fino na extremidade direita é o gelo mais jovem, que registra o início da subida atual, até o ano de 2001. Dados: Bereiter e colaboradores (2015), NOAA Paleoclimatology.

A temperatura média global da superfície, como diferença em relação à sua média de 1951–1980. Dados: NASA GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP v4).

Proposição 28.4 (O aquecimento global observado)

Cada uma das últimas quatro décadas foi mais quente que qualquer década anterior desde 1850. A temperatura global da superfície de 2011–2020 foi $1.09{}^{\circ}\mathrm{C}$ mais alta que a de 1850–1900 (muito provavelmente entre 0.95 e $1.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), com mais aquecimento sobre os continentes ( $1.59{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) que sobre o oceano ( $0.88{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

Proposição 28.5 (O nível do mar sobe cada vez mais depressa)

O nível médio global do mar subiu cerca de $0.20\,\mathrm{m}$ entre 1901 e 2018. A taxa foi de cerca de $1.3\,\mathrm{mm}$ por ano de 1901 a 1971, $1.9\,\mathrm{mm}$ por ano de 1971 a 2006 e $3.7\,\mathrm{mm}$ por ano de 2006 a 2018 (alta confiança). Os satélites, que medem a altura da superfície do mar desde 1993, encontram uma média de $3.2\,\mathrm{mm}$ por ano em 1993–2025. O mar sobe porque o oceano, ao se aquecer, se dilata, e porque as geleiras e os mantos de gelo perdem gelo para ele.

O nível médio global do mar medido do espaço, mais ou menos a cada dez dias (sinal sazonal removido), em relação a um zero arbitrário. Dados de altimetria fornecidos pelo NOAA Laboratory for Satellite Altimetry.

Dados de 2025

A concentração média anual de gás carbônico em Mauna Loa em 2025 foi de $427.35\,\mathrm{ppm}$ . No registro de temperatura da NASA, o ano mais quente até agora foi 2024, a $1.28{}^{\circ}\mathrm{C}$ acima da média de 1951–1980.

28.2 O forçamento radiativo

Definição 28.6 (Forçamento radiativo)

O forçamento radiativo de uma mudança no sistema climático — mais gás de efeito estufa, mais partículas de aerossóis, um Sol mais brilhante — é a variação que ela causa no fluxo líquido de energia que entra no sistema climático no topo da atmosfera, antes que a temperatura da superfície tenha tido tempo de responder. Ele é medido em watts por metro quadrado ( $\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ) da superfície da Terra. Um forçamento positivo faz o planeta ganhar energia e se aquecer; um forçamento negativo o faz perder energia e se resfriar.

Observação 28.7 (Forçamento efetivo)

As avaliações usam o forçamento radiativo efetivo, que conta também os ajustes rápidos da atmosfera (das suas nuvens, por exemplo) que acontecem antes que a superfície se aqueça. Todos os forçamentos deste capítulo são forçamentos efetivos.

Proposição 28.8 (O forçamento desde 1750)

As atividades humanas produziram um forçamento radiativo total de $2.72\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ em 2019 em relação a 1750 (muito provavelmente entre 1.96 e $3.48\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ). Os gases de efeito estufa contribuem com um forçamento positivo, liderado pelo gás carbônico ( $2.16\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ); as partículas de aerossóis, que refletem a luz do Sol e clareiam as nuvens, contribuem com um forçamento negativo (cerca de $-1.06\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ao todo). A variação do brilho do Sol no mesmo período contribui com apenas $0.01\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

Os principais forçamentos radiativos efetivos de 1750 a 2019, com as suas faixas muito prováveis (barras de erro). Valores: Sexto Relatório de Avaliação do IPCC, Grupo de Trabalho I, Tabela 7.8.

Proposição 28.9 (O gás carbônico: cada duplicação acrescenta o mesmo forçamento)

Numa boa aproximação, o forçamento do gás carbônico cresce com o logaritmo da sua concentração: cada duplicação acrescenta o mesmo forçamento, $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ para uma duplicação a partir da concentração de 1750, $C_0 = 278\,\mathrm{ppm}$ . O forçamento de uma concentração $C$ é então

F = F_{2\times}\,\frac{\ln (C/C_0)}{\ln 2}.

Exemplo 28.10 (Verificar a lei com a avaliação)

Em 2019, a concentração era de $410\,\mathrm{ppm}$ . A lei dá $F = 3.93 \times \ln(410/278)/\ln 2 = 3.93 \times 0.561 \approx 2.20\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ , a menos de 2 % dos $2.16\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ que a avaliação dá para o gás carbônico em 1750–2019.

Proposição 28.11 (Para onde vai a energia extra)

Como o forçamento é positivo, o sistema climático ganha energia: cerca de $0.79\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ em média em 2006–2018, contra $0.50\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ em 1971–2006 (alta confiança). O oceano recebeu 91 % dessa energia; os continentes 5 %, o gelo que derrete 3 % e a atmosfera apenas 1 %.

28.3 Retroalimentações e sensibilidade climática

Quando a superfície se aquece, ela irradia mais energia para o espaço, o que tende a trazer o planeta de volta ao equilíbrio. Mas o aquecimento também muda outras coisas — o vapor de água do ar, a neve e o gelo no solo, as nuvens —, e essas mudanças alteram por sua vez o balanço de energia.

Definição 28.12 (Retroalimentação climática)

Uma retroalimentação climática é uma mudança no sistema climático, causada por uma variação de temperatura, que altera o balanço de energia e, portanto, a própria variação de temperatura. Uma retroalimentação positiva amplifica a mudança inicial; uma retroalimentação negativa a amortece.

Exemplo 28.13 (Três retroalimentações)

Vapor de água (positiva). Um ar mais quente contém mais vapor de água, um gás de efeito estufa, o que reforça o aquecimento.
Neve e gelo (positiva). A neve e o gelo refletem a luz do Sol; quando eles derretem, o solo e o mar mais escuros embaixo absorvem mais dela, e o aquecimento aumenta.
Radiação para o espaço (negativa). Uma superfície e uma atmosfera mais quentes irradiam mais infravermelho para o espaço. Essa resposta básica sempre vence no fim: é por isso que o clima se estabiliza num novo equilíbrio, mais quente, em vez de se aquecer sem limite.

Duas retroalimentações positivas (laços vermelhos) amplificam um aquecimento; o infravermelho extra irradiado por um planeta mais quente (em azul) é uma retroalimentação negativa que o limita.

Proposição 28.14 (O aquecimento no equilíbrio)

Uma vez que o clima tenha atingido um novo equilíbrio, o aquecimento $\Delta T$ causado por um forçamento constante $F$ é

\Delta T = \frac{F}{\lambda},

em que $\lambda$ , o parâmetro de retroalimentação climática, é a energia extra que o planeta perde para o espaço para cada grau de aquecimento. As avaliações combinam a radiação para o espaço ( $3.22\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ ) com as retroalimentações positivas do vapor de água e do perfil de temperatura ( $1.30$ ), do albedo da superfície ( $0.35$ ) e das nuvens ( $0.42$ , na mesma unidade) em $\lambda \approx 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ .

Demonstração parcial. No novo equilíbrio, o sistema climático volta a perder para o espaço tanta energia quanto ganha, então a perda extra devida ao aquecimento, $\lambda\,\Delta T$ , deve compensar o forçamento: $\lambda\,\Delta T = F$ . Que a perda extra seja proporcional a $\Delta T$ é uma aproximação, boa para aquecimentos de alguns graus, e admitida aqui. ∎

Definição 28.15 (Sensibilidade climática de equilíbrio)

A sensibilidade climática de equilíbrio é o aquecimento da superfície da Terra, uma vez atingido um novo equilíbrio, depois que a concentração de gás carbônico foi duplicada em relação ao seu nível de 1750.

Proposição 28.16 (Quão sensível é o clima?)

Combinando todas as linhas de evidência — a física das retroalimentações, o aquecimento observado, os climas do passado —, as avaliações dão uma melhor estimativa de $3{}^{\circ}\mathrm{C}$ para a sensibilidade climática de equilíbrio, provavelmente entre 2.5 e $4{}^{\circ}\mathrm{C}$ (alta confiança), e muito provavelmente entre 2 e $5{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

28.4 Quem é responsável?

Método 28.17 (Ler uma afirmação das avaliações)

As avaliações internacionais da ciência do clima classificam cada constatação num vocabulário fixo, impresso em itálico:

uma probabilidade, a chance de um resultado: virtualmente certo 99–100 %, extremamente provável 95–100 %, muito provável 90–100 %, provável 66–100 %, tão provável quanto não 33–66 %, improvável 0–33 %, muito improvável 0–10 %;
uma confiança, a força das evidências e da concordância por trás de uma constatação: muito baixa, baixa, média, alta, muito alta.

Uma faixa escrita $[x \text{ a } y]$ é uma faixa muito provável: há 90 % de chance de que o valor verdadeiro esteja dentro dela. Para ler uma afirmação, identifique a grandeza, a sua melhor estimativa, a sua faixa, e a probabilidade ou a confiança associada.

Definição 28.18 (Atribuição)

A atribuição é a avaliação de quanto de uma mudança observada se deve a cada uma das suas causas possíveis, com a probabilidade do resultado.

Proposição 28.19 (A influência humana)

É inequívoco que a influência humana aqueceu a atmosfera, o oceano e os continentes. Entre 1850–1900 e 2010–2019, a superfície global se aqueceu cerca de $1.06{}^{\circ}\mathrm{C}$ . As atividades humanas causaram um aquecimento de $0.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ a $1.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ (faixa provável), com melhor estimativa de $1.07{}^{\circ}\mathrm{C}$ : os gases de efeito estufa bem misturados provavelmente aqueceram a superfície de 1.0 a $2.0{}^{\circ}\mathrm{C}$ , e as outras influências humanas, sobretudo os aerossóis, provavelmente a resfriaram de 0 a $0.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ . O Sol e os vulcões a mudaram em apenas $-0.1$ a $+0.1{}^{\circ}\mathrm{C}$ , e as flutuações naturais do clima em $-0.2$ a $+0.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

O que causou o aquecimento observado: faixas prováveis de cada contribuição, com as melhores estimativas quando a avaliação dá uma (pontos); para o aquecimento observado, a sua faixa muito provável. Valores: Sexto Relatório de Avaliação do IPCC, Grupo de Trabalho I, Sumário para Formuladores de Políticas, A.1.3.

28.5 Cenários e projeções

Definição 28.20 (Cenário e projeção)

Um cenário de emissões é uma história coerente de como as emissões de gases de efeito estufa e de aerossóis poderiam evoluir no futuro. Uma projeção é a resposta do clima calculada por modelos para um dado cenário. Uma projeção não é uma previsão: ela diz o que aconteceria se o cenário se realizasse.

Proposição 28.21 (Aquecimento e subida do nível do mar projetados)

As avaliações usam cinco cenários principais, de emissões muito baixas (SSP1-1.9) a emissões muito altas (SSP5-8.5). Para 2081–2100, em relação a 1850–1900, elas projetam os aquecimentos abaixo (melhores estimativas e faixas muito prováveis, em ${}^{\circ}\mathrm{C}$ ) e, até 2100, as subidas prováveis do nível médio global do mar em relação a 1995–2014. Em todos os cenários, o mar continua subindo ao longo do século (virtualmente certo). A última vez em que a superfície global ficou $2.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ ou mais acima de 1850–1900 foi há mais de três milhões de anos (média confiança).

cenário	emissões	aquecimento 2081–2100 ( ${}^{\circ}\mathrm{C}$ )	subida do nível do mar até 2100 (m)
SSP1-1.9	muito baixas	1.4 (1.0 a 1.8)	0.28 a 0.55
SSP1-2.6	baixas	1.8 (1.3 a 2.4)	0.32 a 0.62
SSP2-4.5	intermediárias	2.7 (2.1 a 3.5)	0.44 a 0.76
SSP3-7.0	altas	3.6 (2.8 a 4.6)	—
SSP5-8.5	muito altas	4.4 (3.3 a 5.7)	0.63 a 1.01

O aquecimento projetado no fim do século para os cinco cenários: faixa muito provável (barra) e melhor estimativa (traço preto). Valores: Sexto Relatório de Avaliação do IPCC, Grupo de Trabalho I, Tabela SPM.1.

Observação 28.22 (O que este capítulo não diz)

O cenário que o mundo vai seguir depende das emissões futuras, ou seja, de decisões que não são questões de física. A ciência física diz como o clima responde a cada um; a escolha entre eles cabe às sociedades, e os seus custos e benefícios são estudados por outras ciências.

História — Uma curva que começou como o projeto de um químico

Em março de 1958, o químico Charles David Keeling, da Scripps Institution of Oceanography, começou a medir o gás carbônico do ar em Mauna Loa com um instrumento preciso o bastante para ver variações de uma fração de parte por milhão. Em poucos anos, o seu registro mostrava ao mesmo tempo a respiração anual da vegetação e uma subida constante. As medições, continuadas desde então pela Scripps e pela agência americana do tempo e do oceano, são o registro direto mais longo da composição da atmosfera.

Charles David Keeling (à esquerda) e John Chin no Observatório de Mauna Loa em 1997, ao lado da placa que dá o nome de Keeling a um prédio. Fotografia: John Miller, NOAA (domínio público).

28.6 Exercícios

Exercício 28.1 ★

O que é o forçamento radiativo de uma mudança no sistema climático? Em que unidade ele é medido, e o que significa o seu sinal?

Solução

Solução de Exercício 28.1.

A variação que ela causa no fluxo líquido de energia que entra no sistema climático no topo da atmosfera, antes que a temperatura da superfície responda; medido em $\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ . Positivo: o planeta ganha energia e se aquece; negativo: ele perde energia e se resfria.

Exercício 28.2 ★

Em que mês do ano a concentração de gás carbônico em Mauna Loa é máxima, e em qual é mínima? Explique a oscilação anual.

Solução

Solução de Exercício 28.2.

Máxima em maio, mínima em setembro. Na primavera e no verão, a vegetação do Hemisfério Norte, onde cresce a maior parte das plantas terrestres, absorve pela fotossíntese mais gás carbônico do que as plantas e os solos liberam; no outono e no inverno, a decomposição e a respiração dominam e a concentração volta a subir.

Exercício 28.3 ★

No vocabulário das avaliações, que probabilidade significa muito provável? E provável? O que significa uma faixa escrita $[0.95 \text{ a } 1.20]$ ?

Solução

Solução de Exercício 28.3.

Muito provável: uma probabilidade de 90 a 100 %; provável: de 66 a 100 %. $[0.95 \text{ a } 1.20]$ é uma faixa muito provável: 90 % de chance de que o valor verdadeiro esteja entre 0.95 e 1.20.

Exercício 28.4 ★

Da energia extra que o sistema climático ganhou nas últimas décadas, que parte foi para o oceano? Por que isso explica que o nível do mar suba mesmo sem derretimento de gelo?

Solução

Solução de Exercício 28.4.

91 %. A água se dilata quando se aquece: um oceano mais quente ocupa mais volume, então a sua superfície sobe mesmo que nenhuma água seja acrescentada (o gelo continental que derrete acrescenta água além disso).

Exercício 28.5 ★

Dê duas retroalimentações climáticas positivas e a resposta negativa que limita o aquecimento. Explique cada uma numa frase.

Solução

Solução de Exercício 28.5.

O vapor de água: um ar mais quente contém mais vapor de água, um gás de efeito estufa, o que reforça o aquecimento. A neve e o gelo: o derretimento descobre superfícies mais escuras, que absorvem mais luz do Sol. A resposta negativa: um planeta mais quente irradia mais infravermelho para o espaço, o que o traz de volta ao equilíbrio.

Exercício 28.6 ★★

A concentração média anual de gás carbônico em Mauna Loa foi de $315.98\,\mathrm{ppm}$ em 1959 e de $427.35\,\mathrm{ppm}$ em 2025. Em quantos ppm, e em que porcentagem, ela aumentou? Qual foi o crescimento médio por ano ao longo de todo o período?

Solução

Solução de Exercício 28.6.

$427.35 - 315.98 = 111.37\,\mathrm{ppm}$ ; $111.37/315.98 \approx 0.352$ , um aumento de cerca de 35 %. Em 66 anos: $111.37/66 \approx 1.7\,\mathrm{ppm}$ por ano, em média.

Exercício 28.7 ★★

Use a lei logarítmica do capítulo, com $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ e $C_0 = 278\,\mathrm{ppm}$ , para calcular o forçamento do gás carbônico a $427.35\,\mathrm{ppm}$ , a média anual de 2025.

Solução

Solução de Exercício 28.7.

$F = 3.93 \times \ln(427.35/278)/\ln 2 = 3.93 \times 0.4300/0.6931 \approx 2.44\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

Exercício 28.8 ★★

A $3.7\,\mathrm{mm}$ por ano, a taxa de 2006–2018, quanto o nível do mar subiria em 30 anos? Quantas vezes mais rápida é essa taxa que a de 1901–1971, $1.3\,\mathrm{mm}$ por ano?

Solução

Solução de Exercício 28.8.

$3.7 \times 30 = 111\,\mathrm{mm}$ , cerca de $11\,\mathrm{cm}$ . $3.7/1.3 \approx 2.8$ : quase três vezes mais rápida.

Exercício 28.9 ★★

Usando $\Delta T = F/\lambda$ com $\lambda = 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ , calcule o aquecimento de equilíbrio que o forçamento humano total de 2019, $2.72\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ , produziria. O aquecimento observado causado pelo homem é de apenas cerca de $1.07{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Dê a principal razão da diferença.

Solução

Solução de Exercício 28.9.

$\Delta T = 2.72/1.16 \approx 2.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ . O clima não está em equilíbrio: o oceano, que absorve cerca de 90 % da energia extra, se aquece devagar, então a superfície ainda não alcançou o forçamento (o sistema ainda ganha cerca de $0.8\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ).

Exercício 28.10 ★★

O Sol e os vulcões mudaram a temperatura global entre 1850–1900 e 2010–2019 em $-0.1$ a $+0.1{}^{\circ}\mathrm{C}$ , enquanto o aquecimento observado foi de cerca de $1.06{}^{\circ}\mathrm{C}$ . O que você pode concluir? Que outra causa natural também deve ser descartada, e o que a avaliação diz sobre ela?

Solução

Solução de Exercício 28.10.

O Sol e os vulcões explicam no máximo $0.1{}^{\circ}\mathrm{C}$ de um aquecimento de $1.06{}^{\circ}\mathrm{C}$ : eles não podem ser a sua causa. A outra causa natural é a variabilidade interna do clima (as suas flutuações naturais, como as trocas de calor entre o oceano e a atmosfera); a avaliação estima a sua contribuição em $-0.2$ a $+0.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ , também pequena demais.

Exercício 28.11 ★★

Usando a tabela das projeções, em que cenários o aquecimento de 2081–2100 muito provavelmente fica abaixo de $2{}^{\circ}\mathrm{C}$ ? Em qual ele muito provavelmente passa de $2{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Solução

Solução de Exercício 28.11.

Muito provavelmente abaixo de $2{}^{\circ}\mathrm{C}$ : só o SSP1-1.9 (faixa muito provável de 1.0 a 1.8). Muito provavelmente acima: o SSP2-4.5 (2.1 a 3.5), o SSP3-7.0 (2.8 a 4.6) e o SSP5-8.5 (3.3 a 5.7). Para o SSP1-2.6 (1.3 a 2.4), nenhum dos dois é muito provável.

Exercício 28.12 ★★★

Os aerossóis produziram um forçamento de cerca de $-0.22$ e de $-0.84\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ (pela luz do Sol e pelas nuvens). Se todos os aerossóis fossem retirados do ar e todo o resto continuasse como em 2019, qual seria o forçamento humano total? Em quanto aumentaria o aquecimento de equilíbrio, com $\lambda = 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ ?

Solução

Solução de Exercício 28.12.

O forçamento dos aerossóis é $-0.22 - 0.84 = -1.06\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ; sem ele, o total passa a $2.72 + 1.06 = 3.78\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ . O aquecimento de equilíbrio aumenta $1.06/1.16 \approx 0.9{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Exercício 28.13 ★★★

Mostre, a partir da lei logarítmica, que ir de $278\,\mathrm{ppm}$ a $556\,\mathrm{ppm}$ e ir de $556\,\mathrm{ppm}$ a $1112\,\mathrm{ppm}$ acrescentam o mesmo forçamento. Qual é o forçamento total a $1112\,\mathrm{ppm}$ ?

Solução

Solução de Exercício 28.13.

Como $\ln(2C) - \ln C = \ln 2$ qualquer que seja $C$ ,

F(556) - F(278) = \frac{3.93\,\ln 2}{\ln 2} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}, \qquad F(1112) - F(556) = \frac{3.93\,\ln 2}{\ln 2} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}:

o mesmo forçamento para cada duplicação. Total a $1112\,\mathrm{ppm}$ : $2 \times 3.93 = 7.86\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

Exercício 28.14 ★★★

Derive a lei logarítmica em relação a $C$ . Quanto forçamento acrescenta um ppm extra de gás carbônico a $280\,\mathrm{ppm}$ , e quanto a $420\,\mathrm{ppm}$ ? Comente.

Solução

Solução de Exercício 28.14.

$\dfrac{\dd F}{\dd C} = \dfrac{F_{2\times}}{C \ln 2}$ . A $280\,\mathrm{ppm}$ : $3.93/(280 \times 0.6931) \approx 0.0202\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ por ppm; a $420\,\mathrm{ppm}$ : $\approx 0.0135\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ por ppm. Cada ppm extra acrescenta menos forçamento à medida que a concentração cresce (1.5 vez menos a 420 que a 280), mas a concentração continua subindo, então o forçamento continua crescendo.

Exercício 28.15 ★★★

Sem nenhuma retroalimentação além da radiação extra para o espaço, $\lambda_0 = 3.22\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ . Calcule o aquecimento para uma duplicação do gás carbônico ( $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ) com $\lambda_0$ , depois com $\lambda = 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ . Por que fator as retroalimentações amplificam o aquecimento?

Solução

Solução de Exercício 28.15.

$3.93/3.22 \approx 1.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ sem retroalimentações; $3.93/1.16 \approx 3.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ com elas. Fator de amplificação: $3.22/1.16 \approx 2.8$ .

28.7 Problema: a curva de Keeling em números

Problema 28.1

Problema de fim de semana — da respiração anual da vegetação ao ano em que uma duplicação seria atingida

Um estudante baixa o registro de Mauna Loa e o trabalha com uma planilha. Em 2015–2024, a concentração mensal fica em média $3.37\,\mathrm{ppm}$ acima da tendência suavizada em maio e $3.51\,\mathrm{ppm}$ abaixo dela em setembro. As médias anuais são de $316.91\,\mathrm{ppm}$ em 1960, $325.68\,\mathrm{ppm}$ em 1970, $401.01\,\mathrm{ppm}$ em 2015 e $427.35\,\mathrm{ppm}$ em 2025. A concentração de 1750 era de $278\,\mathrm{ppm}$ . Use a lei logarítmica com $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

Parte I — A respiração da vegetação.

Qual é a amplitude de pico a vale do ciclo anual?
Explique por que a concentração é máxima em maio e mínima em setembro.
O ciclo é muito mais fraco no ar do Hemisfério Sul. Sugira por quê.
Por que o observatório foi construído a $3397\,\mathrm{m}$ de altitude, num vulcão no meio do Pacífico?

Parte II — A tendência.

Calcule o crescimento médio, em ppm por ano, em 1960–1970.
Calcule-o em 2015–2025.
Por que fator a taxa de crescimento aumentou?
Em que porcentagem a concentração subiu entre 1750 e 2025?
Os testemunhos de gelo nunca mostram mais de cerca de $300\,\mathrm{ppm}$ nos últimos 800 000 anos. Em quantos ppm o valor de 2025 ultrapassa isso?

Parte III — O forçamento.

Calcule o forçamento do gás carbônico em 2025.
Calcule-o em 1960, e o aumento do forçamento entre 1960 e 2025.
Que concentração acrescentaria $1\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ao forçamento de 2025?
Na taxa de crescimento de 2015–2025, quantos anos isso levaria?

Parte IV — A duplicação.

Qual é a concentração de uma duplicação do valor de 1750? Que forçamento ela produz?
Com a melhor estimativa da sensibilidade climática de equilíbrio, que aquecimento de equilíbrio ela causaria? Dê a faixa provável.
Que parâmetro de retroalimentação $\lambda$ uma sensibilidade de $3{}^{\circ}\mathrm{C}$ implica? Compare-o com o valor $1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ obtido somando as retroalimentações.
Por que a superfície não atingiria esse aquecimento no dia em que a duplicação fosse atingida?
Por que um cálculo que simplesmente prolonga a taxa de crescimento de hoje é um cenário, e não uma projeção do tipo que as avaliações fazem?
Se a taxa de crescimento de 2015–2025 continuasse a mesma, em que ano a duplicação da concentração de 1750 seria atingida?

Solução

Solução de Problema 28.1.

1. $3.37 + 3.51 = 6.88\,\mathrm{ppm}$ , cerca de $7\,\mathrm{ppm}$ .

2. Da primavera ao fim do verão, as plantas do Hemisfério Norte retiram gás carbônico do ar pela fotossíntese mais depressa do que a respiração e a decomposição o devolvem: a concentração cai até setembro. No outono e no inverno, o balanço se inverte, e a concentração volta a subir até o seu máximo de maio.

3. O Hemisfério Sul tem muito menos terras, e portanto muito menos vegetação, que o Norte; a maior parte da sua superfície é oceano.

4. No alto, ele fica acima da camada de ar poluído perto do solo; longe dos continentes e das cidades, o ar que ele amostra é bem misturado e representa a atmosfera inteira, e não uma fonte local.

5. $(325.68 - 316.91)/10 \approx 0.88\,\mathrm{ppm}$ por ano.

6. $(427.35 - 401.01)/10 \approx 2.63\,\mathrm{ppm}$ por ano.

7. $2.634/0.877 \approx 3.0$ : a taxa de crescimento triplicou.

8. $(427.35 - 278)/278 \approx 0.537$ : cerca de 54 %.

9. $427.35 - 300 \approx 127\,\mathrm{ppm}$ .

10. $F = 3.93 \times \ln(427.35/278)/\ln 2 \approx 2.44\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

11. $F(316.91) = 3.93 \times \ln(316.91/278)/\ln 2 \approx 0.74\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ; aumento de $2.44 - 0.74 \approx 1.70\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

12. Um $\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ a mais multiplica a concentração por $2^{1/3.93} \approx 1.193$ : $427.35 \times 1.193 \approx 510\,\mathrm{ppm}$ .

13. $(509.8 - 427.35)/2.634 \approx 31$ anos.

14. $2 \times 278 = 556\,\mathrm{ppm}$ ; forçamento $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

15. Pela definição da sensibilidade, $3{}^{\circ}\mathrm{C}$ (provavelmente de 2.5 a $4{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

16. $\lambda = 3.93/3 \approx 1.31\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ . A soma das retroalimentações, $1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ , dá $3.93/1.16 \approx 3.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ , um pouco mais; a melhor estimativa avaliada combina essa física com o aquecimento observado e com os climas do passado, e os dois valores ficam na faixa provável.

17. O oceano armazena a maior parte da energia extra e se aquece devagar: a superfície só atinge o seu aquecimento de equilíbrio depois de décadas a séculos.

18. Ele supõe uma história das emissões futuras (o crescimento dos últimos dez anos mantido para sempre): isso é um cenário. Uma projeção calcula a resposta do clima e do ciclo do carbono a um cenário de emissões com modelos físicos, e dá faixas e probabilidades.

19. $(556 - 427.35)/2.634 \approx 48.8$ anos depois de 2025: por volta de 2074.

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