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A explicação mais simples do aquecimento global de todos os tempos

Diagrama de balanço de energia da Terra, com radiação de entrada e saída (os valores são mostrados em W/m²). Os instrumentos de satélite (CERES) medem os fluxos de radiação solar refletida e infravermelha emitida. O balanço energético determina o clima da Terra. (NASA)

A Terra está ficando mais quente, e os humanos são a causa. Isso é por que.

Vamos brincar de faz de conta por um momento. Finja, se puder, que nunca ouviu falar sobre a ideia de aquecimento global antes. Finja que nunca ouviu a opinião de ninguém sobre o assunto, inclusive de políticos, cientistas, amigos ou parentes. Finja que não há preocupações relacionadas, como a economia, nossas necessidades de energia ou o meio ambiente.

Se você fosse fazer uma investigação genuína, haveria apenas duas perguntas a serem feitas e respondidas:

1. a Terra está aquecendo ou não,
2. e se sim, qual é a principal causa?

Esta é uma pergunta que foi feita sob medida para o empreendimento da ciência responder. Veja como podemos descobrir por nós mesmos.

Existem realmente apenas duas coisas que determinam a temperatura da Terra, ou a temperatura de qualquer objeto que é aquecido por uma fonte externa. A primeira é a energia que entra nele, que é principalmente energia produzida pelo Sol e absorvida pela Terra. A segunda é a energia que deixa a Terra, que é principalmente devido à Terra irradiando-a.

Durante o dia, absorvemos energia do Sol; esta é a energia introduzida na Terra. Durante o dia e a noite, irradiamos energia de volta ao espaço; essa é a potência emitida pela Terra. É por isso que as temperaturas aquecem durante o dia e esfriam durante a noite, algo que é praticamente verdade para todos os planetas que têm um lado diurno e um lado noturno.

A Terra e a Lua, em escala, em termos de tamanho e albedo/refletividade. Observe como a Lua parece mais fraca, pois absorve a luz muito melhor do que a Terra. (NASA/APOLLO 17)

Para saber qual deve ser a temperatura da Terra, precisamos primeiro entender a energia que entra em nosso mundo. A fonte dessa energia é o Sol, que irradia com uma potência muito bem medida: 3.846 × 10²⁶ watts. Quanto mais perto você estiver do Sol, mais dessa energia você absorverá, enquanto quanto mais longe você estiver, menos você absorverá. Durante o período de tempo em que medimos a saída de energia do Sol, ela variou apenas cerca de ± 0,1%.

A anatomia do Sol, incluindo o núcleo interno, que é o único local onde ocorre a fusão. Mesmo nas incríveis temperaturas de 15 milhões de K, o máximo alcançado no Sol, o Sol produz menos energia por unidade de volume do que um corpo humano típico. O volume do Sol, no entanto, é grande o suficiente para conter mais de 1⁰²⁸ humanos adultos, e é por isso que mesmo uma baixa taxa de produção de energia pode levar a uma produção total de energia tão astronômica. (NASA/JENNY MOTTAR)

A luz do sol se espalha em uma esfera quanto mais longe você estiver dela, o que significa que, se você estiver duas vezes mais longe do Sol, absorverá apenas um quarto da radiação. À distância da Terra do Sol, encontramos uma potência de cerca de 1.361 watts por metro quadrado; é o quanto atinge o topo da nossa atmosfera.

A Terra também orbita em uma elipse ao redor do Sol, o que significa que em alguns pontos está mais próxima do Sol, absorvendo mais radiação, enquanto em outros está mais distante, absorvendo menos. A variação deste efeito é mais próxima de ±1,7%, com a maior quantidade de energia absorvida ocorrendo no início de janeiro e a menor ocorrendo no início de julho.

A maneira como a luz do sol se espalha em função da distância significa que quanto mais longe você estiver de uma fonte de energia, a energia que você interceptar cai como um ao quadrado da distância. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO BORB)

Mas essa não é a história completa. A luz solar que nos atinge vem em uma variedade de comprimentos de onda: ultravioleta, visível e infravermelho, todos os quais transportam energia. A atmosfera tem muitas camadas, algumas das quais absorvem essa luz, algumas das quais permitem que ela seja transmitida até o solo e algumas das quais a refletem de volta ao espaço.

Ao todo, cerca de 77% da energia do Sol chega à superfície da Terra quando o Sol está diretamente acima, com esse número caindo significativamente quando o Sol está mais baixo no horizonte.

A atmosfera da Terra, embora tenha apenas 5,15 x 1⁰¹⁸ quilogramas de massa (pouco menos de 0,0001% da massa da Terra), desempenha um papel tremendo na definição das propriedades de nossa superfície. (COSMONAUT FYODOR YURCHIKHIN / SERVIÇOS DE IMPRENSA DA AGÊNCIA ESPACIAL RUSSA)

Parte dessa energia é absorvida pela superfície da Terra, enquanto parte é refletida. As nuvens refletem a luz solar melhor do que a média, assim como a areia seca e as calotas polares. Outras condições do solo são melhores para absorver a luz solar, incluindo oceanos, florestas, solo úmido e savanas. Dependendo das condições sazonais na Terra, os locais individuais na Terra variam tremendamente na quantidade de luz que refletem ou absorvem.

Em média, no entanto, a Terra é muito consistente: 31% da radiação incidente é refletida, enquanto 69% é absorvida. No que diz respeito aos efeitos globais, essa média mudou muito pouco ao longo do tempo, mesmo quando a civilização humana transformou a paisagem do nosso planeta.

Embora vários componentes da superfície da Terra exibam enormes faixas variáveis ​​na quantidade de luz que absorvem ou refletem, a refletância/absorção média global da Terra, conhecida como albedo, permaneceu constante em ~ 31%. (KEN GOULD, NOVA YORK REGENTES DA CIÊNCIA DA TERRA)

Quando colocamos todos os fatores que conhecemos:

• a potência do Sol,
• o tamanho físico da Terra e a distância do Sol,
• a quantidade de luz solar que a Terra absorve vs. reflete,
• e a variabilidade intrínseca do Sol ao longo do tempo,

podemos chegar a uma maneira de calcular a temperatura média da Terra.

O resultado?

Calculamos que a Terra deve estar a 255 Kelvin (-18 °C / 0 °F), ou bem abaixo de zero. E isso é absurdo e não reflete completamente a realidade.

A Terra vista de uma composição de imagens de satélite da NASA do espaço no início dos anos 2000. Observe a presença abundante de água líquida na superfície: um indicador de clima temperado. (NASA / PROJETO DE MÁRMORE AZUL)

Em vez disso, nosso planeta tem uma temperatura média de 288 Kelvin (15 ° C / 59 ° F), que é muito mais quente do que as previsões ingênuas que acabamos de calcular meticulosamente. Nosso mundo é temperado, não congelado, e há uma grande razão para essas previsões e observações serem tão completamente diferentes umas das outras: temos ignorado os efeitos isolantes da atmosfera da Terra.

Claro, a Terra irradia a energia que absorve de volta ao espaço. Mas nem tudo vai imediatamente para o espaço; a mesma atmosfera que não era 100% transparente à luz solar também não é 100% transparente à luz infravermelha que a Terra irradia. A atmosfera é composta de moléculas que absorvem radiação de comprimentos de onda variados, dependendo do que a atmosfera é feita.

A interação entre a atmosfera, nuvens, umidade, processos terrestres e os oceanos governa a evolução da temperatura de equilíbrio da Terra. (NASA / SMITHSONIAN AIR & SPACE MUSEUM)

Para radiação infravermelha, nitrogênio e oxigênio – a maior parte de nossa atmosfera – agem como se fossem praticamente transparentes. Mas existem três gases que fazem parte da nossa atmosfera que não são transparentes à radiação que a Terra produz:

• vapor de água (H2O),
• dióxido de carbono (CO2),
• e metano (CH4).

Todos esses três gases, quando presentes na atmosfera de qualquer planeta, agem da mesma forma que um cobertor quando você o coloca sobre o corpo de um animal de sangue quente: eles impedem que o calor escape.

Um filhote de elefante órfão emaciado foi resgatado da natureza depois que turistas o viram lutando. O Kenya Wildlife Service e o David Sheldrick Wildlife Trust responderam aos relatos do filhote errante em 18 de março e enviaram uma equipe de resgate para buscá-lo. Aqui, um cobertor foi colocado sobre o filhote de elefante para ajudá-lo a reter o calor do corpo: uma técnica extremamente eficaz que os humanos dão como certa em nossas vidas diárias. (AS DSWT / BARCROFT IMAGES / BARCROFT MEDIA VIA GETTY IMAGES)

No caso de um animal, eles precisam gerar menos calor próprio para manter uma temperatura constante quando há um cobertor sobre eles. E se a manta for mais grossa, ou se houver um número maior de mantas finas, elas precisam gerar ainda menos. Essa analogia se estende a camadas de roupas em qualquer condição; quanto mais isolamento você tiver ao seu redor, menos calor escapará, permitindo que você mantenha temperaturas mais altas.

Para um planeta como o nosso, esses gases impedem que a radiação infravermelha escape, em vez de absorvê-la e re-irradiá-la de volta à Terra. Quanto mais desses gases estão presentes, mais tempo e com mais eficiência a Terra retém o calor do Sol. Não podemos alterar a entrada de energia, então, à medida que adicionamos quantidades adicionais desses gases, a temperatura do nosso mundo simplesmente aumenta.

A concentração de dióxido de carbono na atmosfera da Terra pode ser determinada tanto a partir de medições de núcleos de gelo, que remontam facilmente centenas de milhares de anos, quanto por estações de monitoramento atmosférico, como as do topo de Mauna Loa. O aumento do CO2 atmosférico desde meados dos anos 1700 é impressionante e continua inabalável. (NASA/NOAA)

O conteúdo de vapor de água é determinado pelos oceanos da Terra, pela temperatura local, umidade e ponto de orvalho. Quando adicionamos mais vapor de água à atmosfera ou retiramos vapor de água dela, o conteúdo geral de vapor de água não muda. No que diz respeito à atividade humana, nada do que fazemos tem qualquer impacto na quantidade líquida de H2O na atmosfera.

As concentrações dos outros dois gases (CO2 e CH4), porém, são determinadas principalmente pela influência humana. Está bem documentado, por exemplo, que o CO2 aumentou mais de 50% de seu valor de 1700 devido à queima de combustíveis fósseis coincidindo com o início da revolução industrial. De acordo com o cientista da NASA Chris Colose :

50% do efeito estufa de 33 K é devido ao vapor de água, cerca de 25% às nuvens, 20% ao CO2 e os 5% restantes aos outros gases de efeito estufa não condensáveis, como ozônio, metano, óxido nitroso e assim por diante .

A uma taxa média de aquecimento de 0,07º C por década enquanto existirem registros de temperatura, a temperatura da Terra não apenas aumentou, mas continua a aumentar sem nenhum alívio à vista. (CENTROS NACIONAIS NOAA PARA INFORMAÇÕES AMBIENTAIS, CLIMA EM RESUMO: GLOBAL TIME SERIES)

Tudo isso leva a uma conclusão muito direta: se aumentarmos as concentrações de gases que absorvem infravermelho em nossa atmosfera, como CO2 e CH4, a temperatura da Terra aumentará. Dado que o registro de temperatura mostra inequivocamente que a Terra está se aquecendo, e colocamos esses cobertores proverbiais adicionais em nossa atmosfera, parece um slam dunk que isso seja causa e efeito no trabalho.

Não se pode provar que a atividade humana é a causa do aquecimento global, é claro. Essa conclusão que tiramos ainda é uma inferência científica. Mas com base no que sabemos sobre a ciência planetária, a atmosfera da Terra, a atividade humana e o aquecimento que estamos observando, parece muito bom. Quando quantificamos os outros efeitos, é improvável que qualquer outra coisa possa ser a causa. Nem o Sol, nem vulcões, nem qualquer fenômeno natural que conhecemos.

A Terra está aquecendo, e os humanos são a causa. Os próximos passos — do que fazer a respeito — dependem 100% de nós.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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