Como funciona o efeito estufa

Energia que entra, energia que sai

A temperatura da Terra se acomoda onde a energia que ela absorve do Sol iguala a que irradia para o espaço. A luz do Sol chega a S₀ = 1.361 W/m² no topo da atmosfera. A Terra a intercepta com um disco, mas como esfera tem quatro vezes essa área, então a média sobre toda a superfície é S₀ ÷ 4 = 340 W/m². Cerca de 30 % (o albedo, α) são refletidos direto por nuvens, gelo e solo claro, sobrando 238 W/m² absorvidos.

Um corpo irradia σT⁴ por metro quadrado (a lei de Stefan-Boltzmann, σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴)). Igualando σT⁴ = 238 temos

T_e = (S₀(1 − α) ÷ 4σ)^1/4 = 255 K = −18 °C

Essa é a temperatura que a Terra teria sem efeito estufa. A temperatura média real da superfície é de cerca de 15 °C: 33 graus a mais.

O efeito estufa

A luz do Sol é quase toda luz visível, que o ar deixa passar. O chão aquecido irradia no infravermelho, perto de 10 µm, e o vapor d'água, o dióxido de carbono, o metano e alguns outros gases absorvem boa parte desse infravermelho e o reemitem em todas as direções, inclusive para baixo. A superfície recebe assim energia do Sol e da atmosfera, e esquenta até irradiar o suficiente para equilibrar as duas. Num modelo de uma camada em que a atmosfera absorve uma fração ε do infravermelho da superfície,

T_s = T_e × (2 ÷ (2 − ε))^1/4

e ε = 0,77 dá os 288 K observados. (Uma estufa se mantém quente principalmente por impedir que o ar quente suba, não desse jeito, mas o nome pegou.)

Forçante radiativa

Acrescentar um gás de efeito estufa faz a atmosfera absorver mais do infravermelho que sai, então o planeta perde menos energia do que ganha até esquentar. O desequilíbrio logo depois da mudança é a forçante radiativa, ΔF. Para o CO₂ ela cresce com o logaritmo da concentração:

ΔF = 5,35 ln(C ÷ C₀) W/m², com C₀ = 280 ppm antes da indústria

então cada duplicação acrescenta 5,35 × ln 2 = 3,7 W/m², seja qual for o nível de partida. O logaritmo aparece porque as bandas de absorção mais fortes já estão quase saturadas e o CO₂ extra age sobretudo nas bordas delas. O metano acrescenta cerca de 0,036(√M − √M₀) W/m² com M em ppb, e uma mudança de albedo acrescenta −(S₀ ÷ 4) Δα.

Sensibilidade climática

A temperatura sobe até que a radiação extra que sai cancele a forçante: ΔT = λ ΔF. Sem retroalimentações, só pelo σT⁴, λ ≈ 0,3 K por W/m², cerca de 1,2 °C por duplicação do CO₂. Mas o ar mais quente retém mais vapor d'água (7 % a mais por grau), que também é gás de efeito estufa; a neve e o gelo que recuam escurecem a superfície; as nuvens mudam. Juntas essas retroalimentações elevam λ para cerca de 0,8, e o aquecimento por duplicação, a sensibilidade climática de equilíbrio, fica provavelmente entre 2,5 e 4 °C, com 3 °C como melhor estimativa.

Um exemplo resolvido

O CO₂ sobe de 280 para 420 ppm e o metano de 722 para 1.920 ppb.

1. Forçante do CO₂: 5,35 × ln(420 ÷ 280) = 5,35 × 0,405 = 2,17 W/m².
2. Forçante do metano: 0,036 × (√1920 − √722) = 0,036 × (43,8 − 26,9) = 0,61 W/m².
3. Total: 2,78 W/m². Com λ = 0,81 K por W/m², o aquecimento quando tudo se acomodar é 0,81 × 2,78 = 2,25 °C.

O aquecimento observado até agora é de cerca de 1,2 °C, menos que isso, porque os oceanos ainda não acompanharam e porque a poluição por aerossóis (fora deste modelo) reflete luz do Sol e compensa aproximadamente um terço da forçante de efeito estufa.

Quão rápido a temperatura responde

A camada superficial do oceano tem grande capacidade térmica, cerca de 8 W·ano por m² e por K para uma camada misturada de 60 m. A temperatura então segue C dT ÷ dt = ΔF − (T − T₀) ÷ λ e se aproxima do novo equilíbrio com uma constante de tempo Cλ ≈ 6,5 anos. O oceano profundo, que este modelo deixa de fora, leva séculos para esquentar e faz o clima real continuar se ajustando muito tempo depois que a forçante para de subir.

Como usar a simulação

No Simulador do efeito estufa, fótons amarelos de luz solar descem e fótons vermelhos infravermelhos sobem; uma molécula cinza que captura um pisca e o manda numa direção aleatória. A temperatura começa nos 13,8 °C pré-industriais e caminha para o equilíbrio dos ajustes que você escolher. O que testar:

• Dobre o CO₂ de 280 para 560 ppm com cada opção de retroalimentação: o aquecimento no equilíbrio é de 1,2, 2, 3 ou 4,5 °C.
• Reduza à metade, de 560 para 280: a forçante muda os mesmos 3,7 W/m², o logaritmo em ação.
• Aumente o albedo de 0,30 para 0,31: o resfriamento de 3,4 W/m² supera a forçante atual do CO₂, de 2,2 W/m², e é por isso que nuvens e gelo importam tanto.
• Mude o Sol em 1 W/m² (um ciclo solar típico): a forçante é só 0,17 W/m², muito menor que a do CO₂.

O que o modelo supõe

• Um planeta de dimensão zero: uma única temperatura média global, sem dia e noite, estações, latitudes, terra e oceano.
• Uma única camada oceânica misturada com capacidade térmica fixa, sem oceano profundo.
• Fórmulas de forçante simplificadas para o CO₂ e o metano, sem a sobreposição das bandas do metano e do óxido nitroso, e sem outros gases, aerossóis, ozônio ou uso do solo.
• Uma sensibilidade climática constante λ, igual em qualquer temperatura, escolhida no menu.
• Fótons que mostram a ideia, não os números. A chance de um fóton infravermelho ser capturado sobe com o CO₂ como ilustração; a temperatura vem das equações do balanço de energia, não da contagem de fótons.

Casos-limite

• CO₂ em 280 ppm, metano em 722 ppb, albedo 0,30: não há forçante, e a temperatura fica em 13,8 °C.
• Muito pouco CO₂ dá forçante negativa e resfriamento; abaixo de cerca de 150 ppm as plantas têm dificuldade para fazer fotossíntese, o limite inferior do controle.
• Sem retroalimentações resta só a resposta de Planck: o aquecimento é o menor e a chegada ao equilíbrio a mais rápida, porque a constante de tempo é proporcional a λ.
• Grandes mudanças de albedo (eras glaciais, Terra bola de neve) dominam tudo: ir de 0,30 a 0,60 retira cerca de 100 W/m².

Onde o modelo deixa de valer

• As retroalimentações não são constantes. As do albedo do gelo e das nuvens mudam com o próprio clima; em alguns limiares (mantos de gelo, permafrost, circulação oceânica) a resposta pode ser abrupta e difícil de reverter.
• Clima regional. O aquecimento é desigual: o Ártico esquenta três a quatro vezes mais rápido que a média, e a terra mais que o oceano. Um modelo de um número só não diz nada sobre chuvas, tempestades ou temperaturas locais.
• Aquecimento transitório. Como falta o oceano profundo, o modelo chega ao equilíbrio em décadas; o clima real continua esquentando por séculos depois que as concentrações se estabilizam, e o nível do mar sobe por muito mais tempo.
• Ciclo do carbono. Aqui o CO₂ é ajustado à mão; na realidade os oceanos e as florestas absorvem cerca de metade do que é emitido, e o aquecimento pode enfraquecer esses sumidouros.
• Extremos como Vênus. Com CO₂ muito alto, a fórmula logarítmica e o modelo simples de uma camada falham; é preciso um cálculo detalhado de transferência radiativa.

Ferramentas relacionadas

O Simulador de radiação de corpo negro mostra por que o Sol brilha em luz visível e a Terra no infravermelho, e o Simulador de estações e duração do dia mostra como a luz do Sol se distribui pelas latitudes e ao longo do ano. Converta temperaturas com o Conversor de temperatura.