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A atividade solar é a responsável pelo atual padrão de aquecimento global?

> 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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          O Sol é o nosso fornecedor absoluto de aquecimento na superfície terrestre, entregando radiação solar essencialmente na forma de ultravioleta, espectro visível e um pouco na forma de infravermelho. Portanto, mudanças nessa entrega de energia pela nossa estrela influenciam significativamente as condições climáticas do nosso planeta. De fato, diferenças mensais e milenares na incidência solar são responsáveis pelas estações do ano (I) e pelo engatilhamento dos ciclos glaciais-interglaciais.  E, nesse quesito, existem dois principais mecanismos a serem destacados: geometria de órbita da Terra e atividade solar. Porém, será que esses fatores estão influenciando o atual padrão de aquecimento global observado nas últimas décadas na superfície terrestre?

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(I) Para saber mais, acesse: O que causa as estações do ano?


   GEOMETRIA DE ÓRBITA

           Aqui temos a excentricidade, a obliquidade e a precessão do nosso planeta gerando substanciais, mas graduais, impactos no nosso clima e sendo fundamentais para explicar a deflagração das famosas Eras Glaciais. Atualmente, a Terra orbita o Sol em uma órbita praticamente circular em termos astronômicos. Mesmo ainda tecnicamente sendo uma elipse, a diferença entre distância máxima (afélio) e mínima (periélio) do Sol é hoje de apenas 3% (5 milhões de quilômetros). A excentricidade da Terra mede o desvio de uma órbita circular para uma órbita elíptica, com a menor excentricidade possuindo valor de 0,000055 (~0%, quase esférica) e a maior um valor de 0,0679 (~6%, levemente elíptica). A excentricidade varia primordialmente devido aos efeitos gravitacionais de Júpiter e de Saturno.

          O principal componente dessa variação de excentricidade (±0,012) ocorre com um período em torno de 413 mil anos. Outros componentes possuem ciclos de 95 mil e 125 mil anos. Razoavelmente combinados, temos um ciclo de aproximadamente 100 mil anos (variação de -0,03 para +0,012), essa órbita se torna um pouco mais elíptica, gerando momentos de maior afastamento e aproximação solar e, com isso, resultando em um periélio com 20 a 30% mais insolação do que o afélio. Hoje, a Terra recebe cerca de 6% mais radiação solar em Janeiro do que em Julho, devido à excentricidade de 3%. No entanto, é bom lembrar que a excentricidade da órbita terrestre é sempre tão pequena, que a variação na irradiação solar ao longo do ano é um fator de menor importância na transição climática sazonal. É errôneo, nesse sentido, achar que as estações do ano são fruto dessas maiores distâncias da Terra em relação ao Sol ao longo do movimento anual de translação.

Visão exagerada das variações de excentricidade que a órbita do nosso planeta ao redor do Sol sofre

            A Terra, como todos sabem, é inclinada em sua rotação sobre o próprio eixo em relação ao plano do Sol. Essa inclinação, porém, varia entre 22,1 e 24,5°, durante um ciclo completo em torno de 41 mil anos. Devido a essa variação de inclinação (variação de obliquidade), a quantidade de energia solar que incide no hemisfério Sul e Norte também variam, resultando em estações mais ou menos quentes. Quando a inclinação é máxima, temos um inverno mais frio e um verão mais quente do que o normal. Menos inclinado, menos extremos de temperatura, e é onde se pensa que as camadas de gelo durante o verão podem durar mais nas altas latitudes. Para entender o porquê da inclinação ser um fator tão importante para o clima sazonal, sugiro a leitura do artigo  O que causa as estações do ano?

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            E, por fim, temos a precessão. Aqui, o eixo de rotação se mantém na sua inclinação quase constante, mas a direção desse eixo muda em conformação com a forma geométrica de um cone, como mostrado na figura abaixo. Essa mudança na direção do eixo de rotação ocorre devido às influências gravitacionais da Lua e do Sol, e, um pouco dos outros planetas do Sistema Solar, especialmente de Júpiter (porém, esses últimos com efeitos quase sem importância). Um giro completo nesse cone imaginário acontece a cada 19-23 mil anos, processo o qual altera as datas do periélio e afélio e, portanto, aumenta o contraste sazonal em um hemisfério e diminui o contraste sazonal no outro. Por exemplo, se durante um ponto da precessão um hemisfério estiver apontando em direção ao Sol no periélio, esse hemisfério estará apontando na direção contrária do Sol no afélio, gerando diferenças mais extremas no clima.

Aqui temos representados a variação de inclinação e a precessão da Terra; para melhor visualizar e entender o processo de precessão, basta imaginar um peão em rotação (a): à medida que a energia cinética de rotação vai diminuindo, a força peso gera um torque que força o eixo de rotação a mudar e tender a tombar; essa força-peso atuando no peão pode ser razoavelmente traduzida como a influência do campo gravitacional do Sol e da Lua sobre a Terra em seu movimento de rotação no próprio eixo

          Juntando todos esses parâmetros, conseguimos estabelecer uma clara relação entre as eras de grande resfriamento do planeta (Eras Glaciais) e posterior aquecimento (Eras Interglaciais) - incluindo períodos de mínimos e máximos de temperatura durante esses dois períodos - até a normalidade média, com a geometria da órbita terrestre. Essa teoria relacionando o Sol com as grandes mudanças climáticas na Terra foi primeiro desenvolvido pelo cientista Milutin Milankovitch (1879-1958) e depois confirmada por análises no núcleo de sedimentos marinhos na década de 1970 - onde conseguiu-se determinar com precisão as variações de temperatura sofridas pelo globo nos últimos 450 mil anos, e com as mesmas se encaixando relativamente bem com as previsões feitas por Milankovitch.

No primeiro conjunto de gráficos, as mudanças geométricas de órbita terrestre ao longo de centenas de milhares de anos, as quais se encaixam bem com as mudanças climáticas nas últimas centenas de milhares de anos atrás (segundo gráfico). 

          Com as mudanças na obliquidade, as estações como nós as conhecemos podem se tornar exageradas. Maior obliquidade significa estações mais severas - verões mais quentes e invernos mais frios; menor obliquidade significa estações menos severas - verões mais frios e invernos mais amenos. São os verões mais frios que são pensados permitir a neve e o gelo persistirem de ano para ano nas altas latitudes, eventualmente acumulando massivas camadas de gelo, estas as quais também fomentam um feedback positivo via albedo, refletindo mais radiação solar de volta para o espaço e gerando ainda mais resfriamento, o que garante o cenário para uma Era do Gelo (II).

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(II) Para mais informações, acesse: Quais as evidências paleoclimáticas do aquecimento global antropogênico?

           Porém, considerar apenas as variações orbitais - e consequentes variações na incidência solar no planeta e nos Hemisférios - não é suficiente para explicar totalmente os padrões de ciclicidade dos intervalos glaciais-interglaciais e os picos de temperatura média global associados. Por que nos últimos 800 mil anos, esse ciclo dura 100 mil anos, acompanhando, aparentemente, o ciclo de excentricidade? Por que anteriormente durava 40 mil anos, acompanhando, aparentemente, o ciclo de obliquidade? Precessão combinada com a excentricidade parece explicar razoavelmente bem o ciclo glacial-interglacial (pelo menos seu engatilhamento) dos últimos 800 mil anos, mas por que não atuava de forma determinante antes?

          O que podemos afirmar com certeza é que o atual processo de aquecimento global não está associado com mudanças na geometria de órbita. Estamos no meio do período interglacial, e a fase de aquecimento no pós-Glacial já passou há muito tempo. Mas um fator crucial responsável pelo relativo rápido período de aquecimento que sela o fim das Eras do Gelo está presente hoje: crescente aumento da concentração de gases estufas, em especial o dióxido de carbono (CO2).

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IMPORTANTE: É de fundamental importância deixar claro que as mudanças climáticas, e subsequentes períodos de glaciação, disparadas pelos três fatores de órbita (excentricidade, obliquidade e precessão) não é devido à quantidade total de energia solar alcançando a Terra. Os três ciclos orbitais de Milankovitch impactam a sazonalidade e a localização da energia solar incidente, portanto impactando o contraste entre as estações. A quantidade total de radiação solar alcançando a Terra ao longo de um ano praticamente não varia com as mudanças orbitais.
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     ATIVIDADE SOLAR

            A intensidade energética do Sol não é a mesma sempre e muda em padrões parcialmente bem entendidos, com o principal deles sendo um ciclo de 11 anos. O aumento da atividade solar inclui uma elevação nas emissões de raios-X e ultravioleta, e de partículas altamente energéticas, provocando dramáticos efeitos na atmosfera superior da Terra, e afetando tanto a temperatura quanto a densidade do ar nessas altitudes. Essas atividades solares possuem origem de fenômenos magnéticos no Sol.

          Mudanças na intensidade solar podem também contribuir em mudanças cíclicas no clima do nosso planeta como um todo. Acredita-se que as variações na quantidade de manchas solares que ocorrem periodicamente na superfície do Sol possam interferir significativamente no balanço energético associado aos mecanismos de aquecimento e resfriamento da Terra. E existem evidências bastante sugestivas.

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         Durante um período que se estendeu de 1645 a 1723, a Europa sofreu um resfriamento mais do que incomum, o qual não tinha sido visto desde a última Era do Gelo. E esse período, parte da assim chamada Pequena Era do Gelo, coincidiu com uma quantidade muito pequena de manchas solares (Maunder Minimum). Além disso, um período de significativo aquecimento na Europa, se estendendo por mais de 100 anos a partir de 1050, foi iniciado com um aumento na atividade das manchas solares (aliado com um aumento das atividades vulcânicas). Porém, é válido mencionar que as manchas solares nem sempre estão intimamente ligadas à produção energética do Sol, e, essas variações climáticas pré-industriais nos últimos dois milênios não foram globais, foram regionais, e sofreram fortes interferências de atividades vulcânicas.

          O ciclo solar mais bem definido dura em torno de 11 anos, mas existem também ciclos já observados de 22 e 720 anos. Recentemente, evidências apontam para um ciclo regular durando 125 anos de aquecimento ou de resfriamento nas temperaturas da superfície terrestre, o qual pode ser fruto de um ciclo também de 125 anos de manchas solares.

         Apesar disso, os efeitos da atividade solar sobre o clima geral da Terra permanecem no campo teórico (ainda uma hipótese) de desenvolvimento, e mais análises precisam ser feitas através de satélites para confirmar as evidências, as atuais evidências astronômicas derrubam a ideia de que o atual processo de aquecimento global tenha relação com a atividade solar.  Mesmo assim, ainda existem negacionistas climáticos que continuam defendendo que o Sol está sendo responsável pelo rápido aquecimento da superfície terrestre e da baixa atmosfera.


   ATUAL AQUECIMENTO GLOBAL: ATIVIDADE SOLAR?

          Como explorado, a atividade solar pode influenciar o clima, mas as contribuições observadas até hoje são mínimas para o atual processo de aquecimento global. Entre o principal ciclo solar de 11 anos, temos um máximo e mínimo do brilho do Sol, o qual varia em aproximadamente 0,1% na média entre os dois períodos. Porém, após o último ciclo de mínimo no final de 1990, ouve uma redução de atividade solar entre 2005 e 2010. E essa redução não se encaixa com o padrão de contínuo e acelerado aquecimento que estamos observando hoje. Os dois gráficos abaixo ilustram bem isso (Fonte: NASA).


           Especificamente, de 1960 até 2000, a temperatura média global subiu 0,8°C, em total desacordo com a variação da atividade solar e outras observações consequentes, como as variações nos máximos e mínimos diurnos e a faixa global média de temperatura diurna (DTR) (Ref.2). Entre 1951 e 2004, houve uma grande tendência negativa no DTR de ~0,4°C, cuja causa foi um maior aumento nas temperaturas diurnas mínimas (~0,9°C) do que nas temperaturas máximas (~0,6°C) ao longo do mesmo período (Ref.3). Entre 1951 e 2003, mais de 70% da área continental global mostrou uma significativa diminuição na ocorrência anual de noites frias e um significativo aumento na ocorrência anual de noites quentes, com algumas regiões experienciando taxas duas vezes maiores desses índices (Ref.4). Praticamente todos os padrões se encaixam com um aquecimento global gerado por um aumento do efeito estufa na atmosfera.

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          Além disso, se o fator solar fosse realmente decisivo para o atual aquecimento global, estaríamos vendo um aumento de temperatura tanto na atmosfera superior (estratosfera) quanto na atmosfera inferior (troposfera). Mas não, a estratosfera vem sofrendo um resfriamento nas últimas décadas enquanto a troposfera e superfície terrestre se aqueceram, seguindo o padrão de aquecimento global determinado pela maior concentração de gases estufas na atmosfera. O ozônio garante um maior aquecimento durante o máximo solar por absorver o UV e gerar energia térmica. A depleção do gás ozônio nas últimas décadas explicam parte do resfriamento, mas não é o suficiente para explicar o quadro geral.



          O principal fator que leva ao resfriamento da média atmosfera (estratosfera e mesosfera) com o aumento da concentração de dióxido de carbono nessa região é o fato desse gás não absorver ondas curtas da radiação solar como faz o oxigênio, por exemplo, absorvendo e emitindo ondas longas no infravermelho de menor energia, a qual constitui uma pequena parte do espectro de emissão solar mas uma grande parte associada ao processo de aquecimento ao redor. Esse excesso de emissão comparado com a absorção leva ao resfriamento. Além disso, temos um maior bloqueio de radiação no infravermelho longo nas baixas camadas da estratosfera devido ao excesso de gases estufas, fazendo com que o aquecimento da média atmosfera a partir da superfície se dê principalmente por meio de regiões de mais altas altitudes e mais frias da troposfera. (Ref.5)

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Cerca de 17% da radiação solar incidente é absorvida nos vários níveis da atmosfera terrestre. A absorção nesse caso é o processo pelo qual energia radiante é transferida para a matéria. Os gases atmosféricos, ao absorverem radiação solar, podem rotacionar ou serem excitados via um número de modos vibracionais dependendo da natureza da molécula. Se a energia absorvida é energética o suficiente, a molécula pode ter suas ligações quebradas, como ocorre quando o ozônio ou moléculas diatômicas de oxigênio absorvem fótons de frequência no ultravioleta (II).

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(II) Para mais informações, acesse: Como está o processo de recuperação da Camada de Ozônio?


As moléculas de nitrogênio (N2) absorvem apenas no ultravioleta extremo, faixa esta muito escassa na radiação solar. As moléculas de oxigênio (O2) absorvem mais fortemente do que o nitrogênio e em um espectro mais extenso do ultravioleta. Em regiões mais altas da atmosfera, a cerca de 100 quilômetros (km) acima do nível do mar, moléculas O2 são quebradas em átomos de oxigênio (O) ao absorverem grande parte da radiação ultravioleta (UV) da radiação solar, aquecendo essa região. Em altitudes mais baixas, esse processo de absorção diminui, e a atmosfera começa a esfriar até atingir um mínimo em 80 km. Abaixo de 80 km, a atmosfera é aquecida novamente mas por outro processo. Aqui a atmosfera fica mais densa à medida que a altitude diminui, e as moléculas de oxigênio e de nitrogênio ficam mais próximas, e qualquer átomo arrancado de uma molécula de O2 ao absorver UV possui uma maior chance de se chocar com outra molécula de O2 inteira, produzindo uma molécula triatômica de ozônio (O3). Em torno de 50 km de altitude, o aquecimento é primariamente devido à quebra de moléculas de oxigênio por UV com comprimentos de onda entre 0,12 e 0,18 micrômetros; entre 50 km e 10 km, o aquecimento é devido primariamente à absorção de UV com comprimentos de onda entre 0,18 e 0,34 micrômetros.

Ao absorver um fóton apropriado de UV, o O3 pode ser quebrado novamente em O2 e O. Tanto a quebra de O2 em 50 km quanto a quebra de O3 abaixo de 50 km levam a um pico de temperatura na altitude de 50 km (estratopausa). À medida que a altitude diminui a partir desse ponto, a atmosfera volta a esfriar de forma progressiva, já que sobra cada vez menos UV não absorvido para a geração de calor nos processos reativos acima descritos. Esse resfriamento para apenas entre 10 e 15 km de altitude, quando o aquecimento da superfície terrestre pela radiação solar e o efeito estufa voltam a aquecer o ar atmosférico. As variações de temperatura indicadas até aqui estão representadas no gráfico abaixo.


Com base nessa dinâmica térmica e de química atmosférica, fica óbvio o porquê de se esperar um aquecimento da estratosfera com um aumento da atividade solar, onde teríamos mais UV incidindo no nosso planeta. E como ozônio também absorve radiação longa de infravermelho, quanto maior o efeito estufa na troposfera, especialmente aquele associado com o feedback do vapor de água, maior ainda será a redução da temperatura nas camadas mais altas. E isso ativa outro preocupante feedback: quanto mais frio nas camadas mais altas, mais difícil é a recuperação da camada de ozônio.
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   CONCLUSÃO 

          Fatores como as mudanças na geometria de órbita da Terra e variações na atividade solar NÃO fornecem explicações para o atual processo de aquecimento global. Todas as evidências, mais uma vez, suportam que o culpado principal são as emissões antropogênicas cada vez crescentes de gases estufas, em especial o dióxido de carbono (CO2).


REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://www.saberatualizado.com.br/2017/08/aquecimento-global-uma-problematica.html
  2. Wild, M., Ohmura, A., & Makowski, K. (2007). Impact of global dimming and brightening on global warming. Geophysical Research Letters, 34(4). 
  3. Braganza, K., Karoly, D. J., & Arblaster, J. M. (2004). Diurnal temperature range as an index of global climate change during the twentieth century. Geophysical research letters, 31(13).
  4. Alexander, L. V., Zhang, X., Peterson, T. C., Caesar, J., Gleason, B., Klein Tank, A. M. G., et al. (2006). Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation. Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984–2012), 111(D5).
  5. Helge F. Goessling and Sebastian Bathiany; Why CO2 cools the middle atmosphere - a consolidating model perspective; Earth Syst. Dynam., 7, 697-715, 2016.