Mapa da temperatura de superfície do planeta. Fonte: NASA Earth Observatory
Qual o planeta mais quente do sistema solar? Se você pensou em Mercúrio, pois é o mais próximo do Sol, errou! Na verdade, Vênus, o segundo planeta em distância ao Sol, é mais quente! E isso se deve ao chamado efeito estufa, onde alguns gases da atmosfera de um planeta impedem o calor de escapar do planeta, aquecendo-o! Entenda um pouco mais desse efeito que é fundamental para estudar o clima da Terra.
Antes precisamos desfazer um mal entendido comum: O efeito estufa não é sempre ruim. A vida na Terra só existe pois ele permite uma temperatura capaz de manter a água em estado líquido, além de outros processos necessários à vida. Podemos estimar a temperatura que a Terra teria se a atmosfera não existisse assumindo um equilíbrio entre a energia recebida do Sol com a energia emitida pelo planeta. Com este modelo simples, chegamos na temperatura de equilíbrio planetário, que no caso da Terra é igual a -18°C. Este valor é bem diferente da temperatura média na superfície da Terra, que é aproximadamente 15°C, segundo o Goddard Institute for Space Studies da NASA. Essa diferença é devido aos gases de efeito estufa, que absorvem e reemitem radiação infravermelha, como vapor d'água (H2O), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido de nitrogênio (N2O) e ozônio (O3). E o grande problema são as emissões humanas desses gases em grandes quantidades que intensificam o efeito estufa e já aumentaram a média global de temperatura em mais de 1°C desde 1880.
A descoberta do efeito estufa é creditada ao matemático Jean-Baptiste Fourier (1768-1830), um importante matemático que fez grandes avanços na área de análise de funções periódicas (conhecida hoje como análise de Fourier) e também na teoria matemática de transferência de calor.
Mas uma investigação profunda vem somente com o físico John Tyndall (1821-1893) que estudou como diferentes gases absorvem e emitem radiação infravermelha. Tyndall também concluiu que as emissões de dióxido de carbono resultam em um aumento da temperatura global.
O termo "efeito estufa" é mais moderno, sendo usado pela primeira vez pelo meteorologista Nils Gustaf Ekholm (1848-1923) em 1901.
Mas como o efeito estufa funciona de fato? Vamos considerar um dos mais simples e antigos modelos do problema, criado por Svante Arrhenius (1859-1927).
Considere a atmosfera como uma camada homogênea de tamanho fixo. A Terra absorve a energia vinda do Sol e reemite uma quantidade de energia baseada na temperatura do planeta. Essa radiação emitida pela Terra é absorvida pela atmosfera que emite uma parte para o espaço e manda uma parte de volta para a Terra (efeito estufa).
Imagem por: The Nobel Prize in Physics 2021 - “FOR GROUNDBREAKING CONTRIBUTIONS TO OUR UNDERSTANDING OF COMPLEX PHYSICAL SYSTEMS”, The Royal Swedish Academy of Sciences
Fazendo a suposição que a parte emitida para ao espaço e a parte reemitida para a Terra pela atmosfera são iguais chegamos no seguinte resultado:
onde T é a temperatura do planeta e Tep é a temperatura de equilíbrio planetário que definimos anteriormente, ambas medidas em Kelvin. Aplicando a fórmula, obtemos T=30°C, mostrando quão poderoso pode ser o efeito da atmosfera. Podemos melhorar este modelo considerando uma atmosfera composta de diversas camadas e considerando as taxas de absorção e emissão dos gases da atmosfera. Modelos muito mais complexos e realistas existem nos dias de hoje, como os propostos por Syakuro Manabe e Klass Hasselmann que ganharam o prêmio Nobel de Física de 2021, mas a matemática foge do objetivo deste texto. Arrhenius também trabalhou na quantificação do aumento de temperatura causado pelo gás carbônico. Segundo a regra de Arrhenius para o efeito estufa, se o aumento de gás carbônico na atmosfera ocorre em progressão geométrica, isto é, de forma exponencial, então o aumento de temperatura ocorrerá em progressão aritmética, ou seja, de forma linear. Posto de forma matemática, a diferença de temperatura, de uma concentração de carbono inicial C₀ para uma concentração C é dada por:
onde λ é o fator de sensitividade climática. Esta fórmula é empírica, mas as observações experimentais se aproximam da expressão matemática. Por exemplo, a famosa curva de Keeling mede diariamente a concentração de dióxido de carbono no Observatório Mauna Loa (ela é atualizada diariamente neste site). Estes dados podem ser usados para estimar o aumento de temperatura desde 1960.
Imagem por: The Keeling Curve - UC San Diego
Em 1960, a concentração de carbono era aproximadamente 320 ppm. A medição feita na data em que este texto foi escrito é de 413 ppm. Um valor típico para o fator de sensibilidade climática é λ = 0.8°C/(w/m²). Assim:
Este valor é bem próximo do medido pelo Goddard Institute for Space Studies da NASA, como vemos no gráfico abaixo:
Imagem por: Goddard Institute for Space Studies
O efeito estufa é real, afeta o clima da Terra e pode ameaçar a humanidade se não controlarmos as emissões de gases de efeito estufa. Já aumentamos a temperatura do globo em mais de 1°C e não podemos nos dar ao luxo de continuar com esta tendência. O clima é um assunto que exige atenção urgentemente! É preciso fazer algo para controlar o aquecimento global e garantir que teremos um planeta habitável para as futuras gerações.
Referências e saiba mais
The Keeling Curve - UC San Diego
The Keeling Curve Hits 410 PPM - Scripps Oceanography Youtube Channel
The Nobel Prize in Physics 2021 - “FOR GROUNDBREAKING CONTRIBUTIONS TO OUR UNDERSTANDING OF COMPLEX PHYSICAL SYSTEMS”, The Royal Swedish Academy of Sciences
Recent Advances in Climate Change Research: Part VII - Arrhenius’ Greenhouse Rule for Carbon Dioxide - GEOExPro Magazine