Quais os mecanismos do efeito estufa atmosférico?

> Esse artigo faz parte de uma discussão mais ampla sobre Mudanças Climáticas, Paleoclimatologia, efeito estufa atmosférico e evidências da ação humana (antropogênica) no atual processo de Aquecimento Global. Para saber mais, acesse: Aquecimento Global: Uma Problemática Verdade.

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Diferente do que muitos tendem a interpretar, o fenômeno atmosférico conhecido como 'efeito estufa' não é um vilão. Pelo contrário, ele é o responsável por manter a temperatura do nosso planeta suportável para a vida que hoje conhecemos. Sem o efeito estufa, a temperatura média na superfície da Terra hoje cairia de 15°C para 18-19°C negativos, impossibilitando a existência da nossa rica diversidade ecológica. O grande problema que será aqui abordado é o excesso do efeito estufa atmosférico. Um exemplo bem interessante desse fenômeno em excesso extremo ocorre em Vênus (1).

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(1) Leitura recomendada: Mercúrio é o planeta mais quente do Sistema Solar?

No efeito estufa atmosférico, temos gases presentes na atmosfera que seguram parte do calor sendo emitido pela superfície terrestre na forma de ondas mais longas de infravermelho. Basicamente, a radiação solar que chega ao nosso planeta pode ser tanto refletida quanto absorvida. Quando a parte não refletida é absorvida nos continentes e nos oceanos, ambos são aquecidos e emitem uma maior quantidade de radiação infravermelha. Essa radiação segue em direção ao Espaço, mas boa parte dela é absorvida por certos gases na atmosfera, como o dióxido de carbono, e pode ser reemitida de volta em todas as direções de forma direta - via de-excitação molecular - ou de forma indireta - via de-excitação colisional. Nesse último caso, nosso principal mecanismo de interesse, a maior energia cinética gerada pela absorção do infravermelho aumenta as colisões entre todos os gases - aumentando a temperatura - e gera, consequentemente, uma maior emissão de energia na forma de infravermelho. A partir dessas re-emissões diretas e indiretas de infravermelho, parte da energia térmica retida retorna para a superfície terrestre, aquecendo-a. Esse novo aquecimento, por sua vez, gera mais infravermelho (somado às emissões da atmosfera aquecida), o qual é parte absorvido pela atmosfera - aquecendo a mais via colisões das moléculas excitadas - e parte passa direto.

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Esse contínuo processo acima descrito é o efeito estufa atmosférico, o qual freia o escape de calor emitido pela superfície terrestre e garante um importante aprisionamento de energia térmica, especialmente na troposfera (a primeira camada da atmosfera próxima da crosta terrestre, e onde as temperaturas médias afetam diretamente o ecossistema).

O resultado final dessa rede radiativa e molecular de emissões, colisões e reemissões é que a superfície da Terra recebe mais radiação e aprisiona mais calor do que deveria na ausência da sua atmosfera, e, para manter o balanço térmico, a temperatura superficial se torna significativamente maior (+33-34°C) do que seria caso recebesse apenas radiação solar (temperatura de equilíbrio). Como descrito, o fluxo de radiações de ondas longas absorvidas e emitidas pelos gases estufas aquecem a troposfera e a superfície da Terra, e, após um suficiente longo tempo, essa última retorna praticamente toda a energia radiativa que recebe, com a energia térmica recebida sendo transferida verticalmente através de convecção seca e úmida, radiação de ondas médias e longas, e circulações atmosféricas de larga escala. Portanto, com a temperatura da superfície terrestre aumentando, aumentamos também indiretamente a temperatura na baixa atmosfera, e vice-versa.

Esse efeito estufa na atmosfera terrestre é confirmado principalmente por observações de satélites da radiação de ondas longas emitidas para o espaço (emissão esperada pela temperatura da superfície terrestre vs a emissão efetiva não bloqueada pelos gases estufas). Nesse sentido, aproximando a Lei de Sthephan-Boltzman da radiação de corpo negro (1) para a Terra, os satélites em órbita observam uma temperatura média de -18,7°C, porém a temperatura média da superfície terrestre é de +14,5°C, ou seja, o efeito estufa aumenta em ~33°C a temperatura média da superfície terrestre. Além de Vênus, outro bom exemplo para ilustrar extremos causados por esse fenômeno é a Lua, a qual não possui atmosfera e está colada conosco. Sem um efeito estufa para aprisionar e retardar a fuga do calor (radiação infravermelha), as temperaturas alcançam extremos no nosso satélite natural entre o dia e a noite. De dia, não existe nada entre o Sol e a Lua bloqueando a radiação solar incidente ou mesmo superfícies muito reflexivas, e, consequentemente, a superfície lunar é aquecida até temperaturas de até 120°C. À noite, sem gases estufas para frear a perda de radiação infravermelha sendo emitida pela superfície aquecida, as temperaturas caem até -200°C. Na Terra, a temperatura durante a noite não diminui drasticamente porque a energia térmica acumulada pelo substancial efeito estufa - este o qual está agindo continuamente - demora mais para escapar da sua superfície.

(1) Quer mais detalhes sobre os processos de troca de calor e de emissão de energia eletromagnética? Acesse: Por que o calor vai do quente para o frio?

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FÓTONS, VIBRAÇÕES E COLISÕES
Todas as moléculas de gases estufas são feitas de três átomos ou mais, os quais estão ligados entre si de forma livre o suficiente para que possam vibrar ao absorverem calor (infravermelho de ondas longas no caso). Eventualmente, as moléculas vibrantes liberam a radiação, a qual será provavelmente absorvida por outra molécula de gás estufa ou pela superfície terrestre (antes ou depois de colisões entre moléculas diversas na atmosfera). A energia absorvida pelos gases estufas também torna as moléculas cineticamente mais ativas, aumentando as colisões, dificultando o escape de calor via infravermelho para o espaço e aquecendo a baixa atmosfera. Esse contínuo processo mantém um excesso de calor próximo da superfície da Terra e consequentemente aumenta a temperatura.

Para exemplificar, a animação acima mostra uma molécula de CO2 absorvendo um fóton de radiação infravermelha, representado pelas setas amarelas. A energia associada ao fóton faz com que a molécula de CO2 vibre. Algum tempo depois, a molécula libera essa energia extra ao emitir outro fóton de infravermelho. Uma vez que a energia extra é liberada, a molécula para de vibrar. Obviamente, a animação é algo bem simplificado, já que as moléculas de gases estão em constante movimento, colidindo com outras moléculas de gases e transferindo energia de uma molécula para outra durante as colisões. Em um processo mais realista, a molécula de CO2 mais provavelmente trombaria com várias outras moléculas de gases antes de reemitir o fóton de infravermelho. Nesse sentido, a molécula de CO2 pode transferir a energia ganha do fóton absorvido para outra molécula, adicionando velocidade ao movimento dessa última. Como a temperatura de um gás é uma medida da velocidade (energia cinética) das moléculas dele constituintes, o processo de colisões acaba aumentando a temperatura do meio sem a necessidade do fóton intermediário.

Nesse sentido, quando uma molécula de gás estufa absorve um fóton de infravermelho, a molécula rotaciona ou vibra mais rápido (estado excitado). A baixas densidades, um gás estufa excitado irá espontaneamente (pelas regras da mecânica quântica) reemitir um fóton de infravermelho, o qual pode escapar da atmosfera para o espaço e não produzir uma rede de aquecimento. Porém, em regiões da atmosfera de mais alta densidade (troposfera), a molécula excitada irá se chocar (colidir) com outra molécula (qualquer molécula na atmosfera). Nessa colisão, o gás estufa energizado perde sua energia rotacional, a qual é transferida como energia cinética para a outra molécula em colisão (processo conhecido como de-excitação colisional). O aumento da energia cinética das moléculas em colisão significa que as moléculas estão se movendo mais rápido do que antes da colisão. Esse aumento de velocidade média das moléculas, como já dito, representa um aumento da temperatura atmosférica e deposição de grande quantidade de calor na troposfera. Energia cinética extra também é fornecida pelo calor latente e sensível associado à convecção e evapotranspiração da superfície para a atmosfera.

De fato, grande parte do aquecimento extra fruto do efeito estufa ocorre porque o tempo de de-excitação colisional para as moléculas de gases estufas na baixa atmosfera da Terra é muito mais curto do que o tempo de vida do estados moleculares excitados. Esse processo é corroborado em programas computacionais de simulação e via experimentos Físicos em laboratório. O efeito estufa via gases estufas é ciência básica bem estabelecida. Em Marte, por exemplo, mesmo sua atmosfera sendo composta por 94% de dióxido de carbono, o ar atmosférico é muito rarefeito. Sua fina atmosfera possui apenas 1% da densidade daquela presente na Terra, tornando bem menos efetivo tanto a absorção do infravermelho emitido pela superfície aquecida - menor concentração de gases estufas, incluindo falta de vapor de água - quanto as colisões entre as moléculas de gás. Somando o menor potencial estufa com um maior afastamento do Sol do que a Terra, sua temperatura média superficial acaba sendo bem menor do que aquela do nosso planeta, ficando em torno de 63°C negativos. O vídeo abaixo ilustra bem esse processo.

A habilidade de absorver e re-emitir energia infravermelha é o que faz o CO2 um gás estufa efetivo, já que esses processos aumentam a energia cinética/temperatura da troposfera. Nem todas as moléculas na atmosfera são capazes de absorverem infravermelho. Por exemplo, os gases nitrogênio (N2) e o oxigênio (O2), os quais constituem mais de 90% da atmosfera terrestre, não absorvem fótons de infravermelho, por serem diatômicas, constituídas por átomos iguais e, portanto, não conseguirem vibrar - e gerarem dipolos - como o CO2 e o CH4. Essas duas moléculas absorvem comprimentos de onda bem mais curtos, como na região do ultravioleta; vibram apenas via estiramento assimétrico, e transições no infravermelho são proibidas.

O dióxido de carbono em específico absorve extremamente bem duas bandas de absorção localizadas em 4,2 μm e em 15 μm, englobando frequências de infravermelho emitidas pela superfície da Terra em abundância. Como já mencionado, uma condição necessária para que a molécula possa absorver radiação é a de que durante a vibração ocorra uma mudança no momento de dipolo da molécula. É esse momento de dipolo da molécula que interage com os campos elétricos e magnéticos da radiação. Em 15 μm é onde temos a maior absorção, onde a molécula vibra criando uma deformação angular (modo de torção), e isso se soma com o fato de que o pico de emissão da superfície terrestre é em torno de 10 μm, tornando a banda 15 μm ainda mais intensa para o efeito estufa associado ao dióxido de carbono.

- Transições vibracionais requerem radiação no infravermelho próximo (0,7-20 micrômetros), correspondendo às faixas emitidas próximo do pico máximo de emissão da superfície terrestre. Transições rotacionais requerem infravermelho longe (>20 micrômetros), como aquelas realizadas pela molécula de água. Pouca absorção pelas moléculas do ar atmosférico ocorre na faixa da radiação visível (0,4-0,7 micrômetros), a qual cai entre as transições eletrônicas (excitamento de elétrons por fótons mais energéticos, como o UV) e transições vibracionais.

OBS.: Os eventos de absorção/emissão associados a essas moléculas são discretos, ou seja, ocorrem em frequências/comprimentos de onda específicos (linhas). A presença das bandas de absorção/emissão (alargamento das linhas) é devido aos efeitos do Princípio da Incerteza, colisão e efeito Doppler. No alargamento por colisão, temos às já citadas colisões entre as moléculas geradas pela energia cinética de translação, um importante efeito na baixa atmosfera, onde a densidade do ar é maior. O efeito Doppler (2), gerado pela velocidade térmica das moléculas, é mais importante nas altas altitudes, onde as moléculas estão em altíssima velocidade e bem mais livres (sob menor pressão e mais afastadas umas das outras).

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(2) Leitura recomendada: O que é o Desvio para o Vermelho na Astronomia?
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EFEITO ESTUFA E A 2° LEI DA TERMODINÂMICA

Existe um mito bastante disseminado de que o efeito estufa não existiria porque contrariaria a Segunda Lei da Termodinâmica. Segundo essa lei, o fluxo de calor se move em todas as direções, mas apenas do quente para o frio. O mito diz que no efeito estufa teríamos calor (no caso, fazendo referência à energia térmica na forma radiação infravermelha) indo do mais frio (atmosfera acima da superfície) para o mais quente (superfície terrestre mais quente). Porém, isso é fruto de uma distorção. Um metro quadrado da superfície terrestre produz na média cerca de 500 W (fluxo de energia, J/s); o efeito estufa manda de volta cerca de 330 W; ou seja, é passado 170 W para a camada atmosférica mais fria no balanço, obedecendo no final à 2° Lei. Aliás, existem sensores de infravermelho espalhados ao redor de todo o mundo, que mostram claramente infravermelho sendo mandado de volta pelos gases estufas. Isso é um fato científico.

É preciso também lembrar que radiação térmica é radiação eletromagnética e não calor na forma de condução ou de convecção. Portanto, da mesma forma que ondas de rádio podem se propagar de uma antena mais fria para uma mais quente, micro-ondas podem ser absorvidas por um frango quente, ou radiação de laser-CO2 (10,6 μm) pode ser usado para o derretimento de metais até milhares de °C. Nesse sentido, qualquer radiação de fundo de camadas mais altas e mais frias da atmosfera podem ser absorvidas pelas camadas mais quentes e mais baixas, e também pela mais quente da superfície terrestre sem violar a 2° Lei da Termodinâmica.

E vamos reforçar: o efeito estufa ocorre porque existe uma desaceleração no fluxo de energia térmica escapando para o espaço. O fluxo global de calor continua indo da superfície quente para as camadas mais frias e subsequentemente para o espaço, assim como demanda a Segunda Lei.

VAPOR DE ÁGUA

Um importante fator que afeta a magnitude do aquecimento global é o processo de feedback positivo que envolve o vapor de água. O vapor de água absorve e emite fortemente ao longo de grande parte do espectro terrestre de emissão das ondas médias e longas e é o principal responsável pelo poderoso efeito estufa da atmosfera. O vapor de água é responsável por 50% do efeito estufa na Terra, as nuvens contribuem com 25%, o dióxido de carbono com 20% e os demais gases estufas, como o metano, contribuem com 5%. No geral, as moléculas e as microgotículas de água na atmosfera são responsáveis por aproximadamente 80% do fluxo radiativo que é absorvido pela Terra no espectro do infravermelho (Ref.4).

Em contraste com os gases estufas de longa vida na atmosfera, como o dióxido de carbono, o vapor de água possui um curto período de residência de apenas algumas semanas na atmosfera, onde é adicionado via evaporação da água na superfície terrestre (oceanos, lagos, evapotranspiração, etc.) e é depletado rapidamente devido à condensação e à precipitação. Portanto, a umidade absoluta do ar é dependente da saturação, prevenindo que a umidade relativa em larga escala exceda os 100%. Desde que a saturação da pressão de vapor da água no ar aumenta com o aumento da temperatura obedecendo a equação de Clausis-Clapeyron, aumentando a capacidade do ar de segurar umidade, a umidade absoluta do ar tende a aumentar com o aumento da temperatura, portanto elevando o efeito estufa da atmosfera. O feedback positivo entre temperatura e o efeito estufa do vapor de água é chamado de 'feedback do vapor de água'. Nesse sentido, o feedback do vapor de água amplia de forma robusta o efeito estufa induzido pelo aumento na concentração de gases estufas de longa vida, como o CO2, óxido nitroso, e os clorofluorcarbonos (CFCs).

Portanto, o real poder estufa do CO2 é manifestado em combinação com a retroalimentação de vapor de água, e, por isso, mesmo com o dióxido de carbono em pequenas concentrações na atmosfera terrestre (0,04%), esse gás é crucial para a regulação da temperatura da Terra.

Quando a concentração de um gás estufa como o dióxido de carbono aumenta na atmosfera, a temperatura aumenta não apenas na superfície da Terra mas também na troposfera, e diminui na estratosfera (já que menos calor na forma de infravermelho longo escapa para essa região). Paralelamente, os índices tanto de precipitação quanto de evaporação aumentam, acelerando o ciclo hídrico do nosso planeta. Apesar da temperatura aumentar em quase todo canto da superfície terrestre, o aquecimento tende a ser maior acima dos continentes do que sobre os oceanos. No Hemisfério Norte, a temperatura geralmente aumenta com o aumento da latitude, padrão não seguido no Hemisfério Sul (3). A distribuição geográfica da precipitação e da evaporação também variam bastante sobre os continentes, gerando extremos de seca e de chuva, por exemplo.

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(3) Desde o começo do século XX, é bem estabelecido que existe uma diferença de temperatura média entre os Hemisfério Norte e Sul de 1-2°C. Para o clima pré-industrial essa diferença é devido primariamente ao transporte meridional de calor nos oceanos, com uma contribuição adicional das diferenças de albedo entre as regiões polares (maior cobertura continental no Norte sem geleiras, por exemplo). Desde o começo da era industrial, a diferença inter-hemisférica de temperatura tem aumentado devido ao derretimento acelerado da cobertura de gelo no Hemisfério Norte (Ref.2).
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É válido lembrar que o termo "efeito estufa" pode levar a desinformações, porque o aprisionamento de calor na atmosfera não ocorre pelo processo visto em uma estufa de vidro, ou seja, onde existe supressão de troca de calor via convecção e condução de calor para o exterior do sistema. Mas como ficou fortemente popular, é o termo utilizado tanto pelo público leigo como no meio acadêmico.

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Por fim, é frequentemente creditado ao famoso matemático Francês Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) a comparação da atmosfera terrestre com uma estufa, mas Edme Mariotte, em 1681, já havia descrito a atmosfera dessa forma, afirmando que radiação solar visível entraria mas o calor de outras fontes não conseguiria sair (Ref.3). Mas quem primeiro propôs uma correta análise física do fenômeno foi o Físico Francês Claude Pouillet (1790-1868), apesar das fórmulas por ele derivadas estarem incorretas devido à errônea lei de radiação adotada nos seus cálculos. Outra desinformação comum é creditar a Fourier como o primeiro a sugerir que as atividades humanas seriam capazes de alterar o clima global (não existem registros desse tipo de afirmação em seus trabalhos).

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(A) Leitura recomendada e complementar: Efeito Estufa e Aquecimento Global: Uma Abordagem Conceitual a Partir da Física para Educação Básica

REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS

https://www.saberatualizado.com.br/2017/08/aquecimento-global-uma-problematica.html
Feulner, G., Rahmstorf, S., Levermann, A., & Volkwardt, S. (2013). On the Origin of the Surface Air Temperature Difference between the Hemispheres in Earth's Present-Day Climate. Journal of Climate, 26(18), 7136-7150.
C. J. van der Veen (2000) Fourier and the "greenhouse effect", Polar Geography, 24:2, 132-152.
Krainov V., Smirnov B.M. (2019) Greenhouse Effect in Atmospheres of Earth and Venus. In: Atomic and Molecular Radiative Processes. Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics, vol 108. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-21955-0_7