Gases de efeito estufa como dióxido de carbono e metano absorvem a energia infravermelha, reemitindo parte dela de volta para a Terra e parte dela para o espaço.
Nos últimos anos, recebemos muitas perguntas sobre o dióxido de carbono – como ele retém o calor, como pode ter um efeito tão grande se for apenas uma pequena porcentagem da atmosfera e muito mais. Com a ajuda de Jason Smerdon, cientista climático do Observatório Terrestre Lamont-Doherty da Universidade de Columbia, respondemos a várias dessas perguntas aqui.
A reportagem é de Sarah Fecht, publicada por Columbia Climate School e reproduzida por EcoDebate, 20-05-2022. A tradução e a edição são de Henrique Cortez.
Você provavelmente já leu que o dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa agem como um cobertor ou uma tampa, prendendo parte do calor que a Terra poderia ter irradiado para o espaço. Essa é a resposta simples. Mas como exatamente certas moléculas retêm o calor? A resposta requer um mergulho na física e na química.
Diagrama simplificado mostrando como a Terra transforma a luz solar em energia infravermelha. Gases de efeito estufa como dióxido de carbono e metano absorvem a energia infravermelha, reemitindo parte dela de volta para a Terra e parte dela para o espaço. (Fonte: Wikimedia Commons)
Quando a luz solar atinge a Terra, a superfície absorve parte da energia da luz e a irradia novamente como ondas infravermelhas, que sentimos como calor. (Segure sua mão sobre uma rocha escura em um dia quente e ensolarado e você poderá sentir esse fenômeno por si mesmo.) Essas ondas infravermelhas viajam para a atmosfera e escaparão de volta para o espaço se não forem impedidas.
O oxigênio e o nitrogênio não interferem nas ondas infravermelhas na atmosfera. Isso porque as moléculas são exigentes quanto à faixa de comprimentos de onda com os quais interagem, explicou Smerdon. Por exemplo, oxigênio e nitrogênio absorvem energia que possui comprimentos de onda compactados de cerca de 200 nanômetros ou menos, enquanto a energia infravermelha viaja em comprimentos de onda mais amplos e preguiçosos de 700 a 1.000.000 nanômetros. Esses intervalos não se sobrepõem, então para oxigênio e nitrogênio, é como se as ondas infravermelhas nem existissem; eles deixam as ondas (e o calor) passarem livremente pela atmosfera.
Um diagrama mostrando os comprimentos de onda de diferentes tipos de energia. A energia do Sol chega à Terra principalmente na forma de luz visível. A Terra reirradia essa energia como energia infravermelha, que tem um comprimento de onda mais longo e mais lento. Enquanto o oxigênio e o nitrogênio não respondem às ondas infravermelhas, os gases de efeito estufa sim. (Fonte: NASA)
Com CO2 e outros gases de efeito estufa, é diferente. O dióxido de carbono, por exemplo, absorve energia em uma variedade de comprimentos de onda entre 2.000 e 15.000 nanômetros – uma faixa que se sobrepõe à da energia infravermelha. À medida que o CO2 absorve essa energia infravermelha, ele vibra e reemite a energia infravermelha de volta em todas as direções. Cerca de metade dessa energia vai para o espaço, e cerca de metade dela retorna à Terra como calor, contribuindo para o ‘efeito estufa’.
Ao medir os comprimentos de onda da radiação infravermelha que atinge a superfície, os cientistas sabem que o dióxido de carbono, o ozônio e o metano estão contribuindo significativamente para o aumento da temperatura global. (Fonte: Evans 2006 via Skeptical Science)
Smerdon diz que a razão pela qual algumas moléculas absorvem ondas infravermelhas e outras não “depende de sua geometria e composição”. Ele explicou que as moléculas de oxigênio e nitrogênio são simples – cada uma composta por apenas dois átomos do mesmo elemento – o que restringe seus movimentos e a variedade de comprimentos de onda com os quais podem interagir. Mas gases de efeito estufa como CO2 e metano são compostos de três ou mais átomos, o que lhes dá uma variedade maior de maneiras de esticar, dobrar e torcer. Isso significa que eles podem absorver uma ampla gama de comprimentos de onda – incluindo ondas infravermelhas.
Como um experimento que pode ser feito em casa ou na sala de aula, Smerdon recomenda encher uma garrafa de refrigerante com CO2 (talvez de uma máquina de refrigerante) e encher uma segunda garrafa com ar ambiente. “Se você expor os dois a uma lâmpada de calor, a garrafa de CO2 aquecerá muito mais do que a garrafa apenas com o ar ambiente”, diz ele. Ele recomenda verificar as temperaturas da garrafa com um termômetro infravermelho sem toque. Você também deve certificar-se de usar o mesmo estilo de garrafa para cada uma e de que ambas as garrafas recebam a mesma quantidade de luz da lâmpada
Um experimento logisticamente mais desafiador que Smerdon recomenda envolve colocar uma câmera infravermelha e uma vela em extremidades opostas de um tubo fechado. Quando o tubo está cheio de ar ambiente, a câmera capta claramente o calor infravermelho da vela. Mas uma vez que o tubo está cheio de dióxido de carbono, a imagem infravermelha da chama desaparece, porque o CO2 no tubo absorve e espalha o calor da vela em todas as direções e, portanto, borra a imagem da vela. Existem vários vídeos do experimento online.
A energia entra em nossa atmosfera como luz visível, enquanto tenta sair como energia infravermelha. Em outras palavras, “a energia que entra em nosso planeta do Sol chega como uma moeda e sai em outra”, disse Smerdon.
As moléculas de CO2 realmente não interagem com os comprimentos de onda da luz solar. Somente depois que a Terra absorve a luz solar e reemite a energia como ondas infravermelhas, o CO2 e outros gases de efeito estufa podem absorver a energia.
Antes de os humanos começarem a queimar combustíveis fósseis, os gases de efeito estufa naturais ajudaram a tornar o clima da Terra habitável. Sem eles, a temperatura média do planeta estaria abaixo de zero. Portanto, sabemos que mesmo níveis naturais muito baixos de dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa podem fazer uma enorme diferença no clima da Terra.
Hoje, os níveis de CO2 são mais altos do que em pelo menos 3 milhões de anos. E embora eles ainda representem apenas 0,04% da atmosfera, isso ainda soma bilhões e bilhões de toneladas de gás de retenção de calor. Por exemplo, somente em 2019, os humanos despejaram 36,44 bilhões de toneladas de CO2 na atmosfera, onde permanecerá por centenas de anos. Portanto, há muitas moléculas de CO2 para fornecer um cobertor de retenção de calor em toda a atmosfera.
Além disso, “traços de uma substância podem ter um grande impacto em um sistema”, explica Smerdon. Tomando emprestada uma analogia do professor de meteorologia da Penn State, David Titley, Smerdon disse que “Se alguém do meu tamanho beber duas cervejas, meu teor de álcool no sangue será de cerca de 0,04%. Isso é exatamente quando o corpo humano começa a sentir os efeitos do álcool.” Motoristas comerciais com um teor de álcool no sangue de 0,04% podem ser condenados por dirigir sob influência.
“Da mesma forma, não é preciso tanto cianeto para envenenar uma pessoa”, acrescenta Smerdon. “Tem a ver com a forma como essa substância específica interage com o sistema maior e o que ela faz para influenciar esse sistema”.
No caso dos gases de efeito estufa, a temperatura do planeta é um equilíbrio entre quanta energia entra versus quanta energia sai. Em última análise, qualquer aumento na quantidade de aprisionamento de calor significa que a superfície da Terra fica mais quente. (Para uma discussão mais avançada da termodinâmica envolvida, confira esta página da NASA.)
A água é de fato um gás de efeito estufa. Absorve e reemite a radiação infravermelha e, assim, torna o planeta mais quente. No entanto, Smerdon diz que a quantidade de vapor de água na atmosfera é uma consequência do aquecimento e não uma força motriz, porque o ar mais quente retém mais água.
“Sabemos disso em um nível sazonal”, explica ele. “Geralmente é mais seco no inverno, quando nossa atmosfera local é mais fria, e é mais úmida no verão, quando está mais quente.”
À medida que o dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa aquecem o planeta, mais água evapora na atmosfera, o que, por sua vez, aumenta ainda mais a temperatura. No entanto, um vilão hipotético não seria capaz de exacerbar as mudanças climáticas tentando bombear mais vapor de água para a atmosfera, diz Smerdon. “Tudo choveria porque a temperatura determina quanta umidade pode realmente ser mantida pela atmosfera”.
Da mesma forma, não faz sentido tentar remover o vapor de água da atmosfera, porque a evaporação natural, impulsionada pela temperatura, de plantas e corpos d’água o substituiria imediatamente. Para reduzir o vapor de água na atmosfera, devemos diminuir as temperaturas globais reduzindo outros gases de efeito estufa.
Nuvens espessas de ácido sulfúrico cercam Vênus e impedem que 75% da luz solar atinja a superfície do planeta. Sem essas nuvens, Vênus seria ainda mais quente do que já é. (Fonte: NASA)
A concentração de CO2 na atmosfera de Vênus é cerca de 2.400 vezes maior que a da Terra. No entanto, a temperatura média de Vênus é apenas cerca de 15 vezes maior. O que da?
Curiosamente, parte da resposta tem a ver com vapor de água. De acordo com Smerdon, os cientistas pensam que, há muito tempo, Vênus experimentou um efeito estufa descontrolado que ferveu quase toda a água do planeta – e o vapor de água, lembre-se, também é um gás que retém o calor.
“Ele não tem vapor de água em sua atmosfera, o que é um fator importante”, diz Smerdon. “E então o outro fator importante é que Vênus tem todas essas nuvens loucas de ácido sulfúrico.”
No alto da atmosfera de Vênus, explicou ele, nuvens de ácido sulfúrico bloqueiam cerca de 75% da luz solar recebida. Isso significa que a grande maioria da luz solar nunca tem a chance de atingir a superfície do planeta, retornar à atmosfera como energia infravermelha e ficar presa por todo o CO2 na atmosfera.
Eventualmente… em vários milhares de anos ou mais.
As plantas, os oceanos e o solo são sumidouros naturais de carbono – eles removem parte do dióxido de carbono da atmosfera e o armazenam no subsolo, debaixo d’água ou em raízes e troncos de árvores. Sem a atividade humana, as vastas quantidades de carbono nos depósitos de carvão, petróleo e gás natural teriam permanecido armazenadas no subsolo e principalmente separadas do resto do ciclo do carbono. Mas ao queimar esses combustíveis fósseis, os humanos estão adicionando muito mais carbono à atmosfera e ao oceano, e os sumidouros de carbono não funcionam rápido o suficiente para limpar nossa bagunça.
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É como regar seu jardim com uma mangueira de incêndio. Mesmo que as plantas absorvam água, elas só podem fazê-lo a uma taxa definida, e se você continuar usando a mangueira de incêndio, seu quintal vai inundar. Atualmente, nossa atmosfera e oceano estão inundados com CO2, e podemos ver que os sumidouros de carbono não conseguem acompanhar porque as concentrações de CO2 na atmosfera e nos oceanos estão aumentando rapidamente.
A quantidade de dióxido de carbono na atmosfera (linha framboesa) aumentou junto com as emissões humanas (linha azul) desde o início da Revolução Industrial em 1750. (Fonte: NOAA Climate.gov)
Infelizmente, não temos milhares de anos para esperar que a natureza absorva a inundação de CO2. Até então, bilhões de pessoas teriam sofrido e morrido pelos impactos das mudanças climáticas; haveria extinções em massa e nosso belo planeta se tornaria irreconhecível. Podemos evitar muitos desses danos e sofrimentos por meio de uma combinação de descarbonização de nosso suprimento de energia, extração de CO2 da atmosfera e desenvolvimento de formas mais sustentáveis de prosperar.