O fantasma dos meteorologistas: Nuvens!
- Elio
- 4 de mar.
- 9 min de leitura
Apesar de terem supercomputadores à disposição e modelos matemáticos poderosíssimos, os meteorologistas e os climatologistas têm um gigantesco desafio para poder criar suas previsões.
Os supercomputadores mais potentes do mundo não são suficientemente poderosos para incluir minúsculas nuvens digitais nas gigantescas Terras digitais que simulam.
Os diferentes modelos meteorológicos matemáticos usam a influência da terra, do mar, do gelo, da temperatura e muitos outros fatores para fazer suas previsões, cada um deles a seu modo. Porém mais da metade das divergências destes modelos vem de como eles tratam as nuvens. “Se você está com diferenças de 2 a 3 por cento em relação a como as nuvens cobrem o solo, obterá resultados que divergirão de muitos graus Celsius sobre a previsão da temperatura do planeta”, disse o Dr. George Matheou.
Os supercomputadores atuais permitem que se faça uma cobertura da Terra com quadrados de aproximadamente 100 km de lado. Conectando estes quadrados, onde se fez uma média dos valores em seu interior, se obtém o que acontece em todo o planeta. Porém um quadrado de 100 km por 100 km é muito grande para poder equacionar as nuvens que existem dentro dele.
Os atuais supercomputadores, ainda não são tão super quanto o necessário para reduzir o tamanho ao ponto de avaliar uma nuvem.
Atualmente existem vários centros de estudos de nuvens ao redor do mundo e uma forma diferente de estudá-las surgiu graças a Chris Betherton do Allen Institute for Artificial Intelligence (AI2) e ao novo entrante Tapio Schneider do CalTech.
A superfície da Terra é coberta em média entre 60 e 70% de nuvens. As nuvens são brancas e portanto refletem a luz solar, fazendo com que a temperatura do planeta não aumente tanto, enviando de volta para o espaço essa luz refletida. Eis um dos principais motivos da importância de estudarmos as nuvens. Se você já andou debaixo do Sol escaldante do verão e de repente encontrou uma sombra de uma árvore, entende perfeitamente a importância de não deixar toda a luz solar atingir a superfície da Terra. As nuvens são essa árvore que dá sombra ao nosso planeta.
As primeiras simulações de nuvens, em particular os stratus, os stratus-cumulus, os cumulos e os cumulus-nimbus, combinadas com modelos climáticos idealizados, surgiram em 2013 e 2014 criadas pelo Dr. Bertherton. Ele e seus colaboradores modelaram uma pequena área de estrato-cúmulos e descobriram que, à medida que a superfície do mar abaixo dela aquecia sob a influência do CO2, a nuvem se tornava mais fina. Esse trabalho e outras descobertas — como dados de satélites da NASA indicando que anos mais quentes são menos nublados do que anos mais frios — começaram a sugerir que os modelos climáticos globais menos sensíveis, aqueles que previam pouca mudança na cobertura de nuvens e indicavam aquecimentos de apenas 2 graus, provavelmente não estavam corretos.
O esforço para reduzir o tamanho dos quadrados no processo de computação e evolução dos modelos matemáticos, fez com que, em 2022 o Department of Energy (EUA) encomendasse ao Frontier, na época o mais potente supercomputador do mundo, que rodasse o mais novo e potente modelo de previsão de clima. O modelo estava baseado nas equações da física da dinâmica dos fluidos, em particular um conjunto de equações chamadas de Navier-Stokes (as mesmas que se usam para desenhar os fólios dos barcos). Este modelo representa o ápice de um projeto de seis décadas dedicado a melhorar os modelos de previsão de clima e tempo. O fantástico trabalho permitiu trabalhar com quadrados de 3 por 3 km. Notável!
Mas mesmo este incrível grau de refinamento não é capaz de calcular e prever o que acontece realmente com as nuvens. “ Para alcançar as nuvens baixas, você precisa de algo como 100 bilhões de vezes a capacidade computacional que temos”, disse Schneider, “e isto não vai acontecer ao longo de minha vida”.
Incapazes de adicionar nuvens diretamente em seus modelos, os físicos estimam as influências das nuvens e acrescentam os resultados destas estimativas sob a forma de parâmetros às equações de Navier-Stokes. Porém estas estimativas não são precisas, então os diferentes modelos divergem quanto aos resultados.
Diante disso os físicos recorrem à melhor maneira disponível: uma simulação de Navier-Stokes chamada LES (large-eddy simulation). “Ela é a melhor forma que temos para prever turbulência de nuvens, para uma área limitada e um curto intervalo de tempo” afirmou Zahoy Shen do CalTech ( https://szy21.github.io/).
Mas produzir uma imagem destas tem um custo elevado, tanto em termos de dinheiro como de tempo e processamento de dados. Schneider então foi pedir ajuda à Google que designou Sheide Chammas (https://www.researchgate.net/scientific-contributions/Sheide-Chammas-2182100008) e outros colaboradores para trabalharem no projeto.
O primeiro passo foi criar um algoritmo LES a partir do zero e construir um conjunto de chips de computador, denominado tensor processing units (TPU), para resolver este algoritmo.
Em seguida produziram milhares destes TPUs e rodaram simulação após simulação um enorme número de vezes.
Com isto eles conseguiram algo incrível: construíram uma biblioteca com mais de 8.000, sim oito mil, imagens de nuvens de mais de 500 locações no Pacífico.
Schneider agora está melhorando estes modelos de LES e espera em um curto intervalo de tempo ter o modelo CLIMA como sendo o melhor modelo de previsão climática.
No passado já houve aquecimento global e suas marcas estão visíveis!
Em 1987, no Mar de Wendel, Antártica, um paleoceanógrafo de nome James Kennett (https://en.wikipedia.org/wiki/James_P._Kennett) e sua equipe jogaram âncora para fazer uma pesquisa. Furaram o fundo do mar e retiraram amostras congeladas de mais de 150 metros de profundidade.
Eles encontraram uma pista perturbadora sobre o passado do nosso planeta que pode significar um desastre para o futuro.
Nas camadas mais superficiais da amostra, mais de 60 espécies de plancton foram encontradas.
Porém, numa fina secção da amostra mais profunda e que data de aproximadamente 56 milhões de anos atrás, apenas 17 espécies foram encontradas. Além disso, o oxigênio destes planctons e a composição dos isótopos de carbono havia se alterado dramaticamente! Eles concluíram, a partir da anomalia dos isótopos, que o dióxido de carbono saturou o ar, causando uma rápida acidificação dos oceanos e aumentando a temperatura da água.
Em 1992, em Wyoming (EUA) foi encontrado um fóssil de um dente de um animal similar a um tapir. O descobridor do fóssil de dente, Phil Gingerich (https://lsa.umich.edu/eeb/people/faculty-emeriti/gingeric.html), e seus colaboradores Jim Zachos e Paul Koch encontraram, no esmalte dele, as mesmas anomalias isotópicas que Kennett havia apresentado em suas descobertas oceânicas anos antes. O mamífero pré-histórico também havia respirado ar saturado de CO2.
Depois disto, mais evidências foram encontradas na China, na Europa e praticamente em todos os lugares do mundo.
Realmente houve uma grande catástrofe cerca de 56 milhões de anos atrás no período hoje denominado de Máximo Termal Paleocene-Eocene, ou PETM (Paleocene-Eocene Thermal Maximum).
Quando o PETM começou, o planeta já se encontrava numa temperatura vários graus mais quente do que está agora e, com a repentina (em termos geológicos de tempo) aparição de uma grande quantidade de CO2, tornou-se cerca de 8 oC mais quente ainda. Os oceanos tornaram-se piscinas de água quente nas regiões equatoriais havendo enormes extinções de vida. Os animais sobreviventes começaram a buscar latitudes maiores tentando acompanhar as vegetações. Os mamíferos começaram a reduzir seu tamanho como consequência da redução do alimento pelo excesso de CO2 nas folhas. Evidências geológicas mostram secas prolongadas e inundações repentinas, acompanhadas de violentas tempestades que varriam o planeta.
Os modelos teóricos criados pelos cientistas não conseguiam explicar de maneira satisfatória como isto poderia ter acontecido. Faltava algo nestes modelos, um misterioso Fator-X. As evidências apontavam em direção a algo que eles já suspeitavam há muito tempo, mas eram incapazes de quantificar: as nuvens! Naquela época o nosso planeta havia ficado praticamente sem nuvens!
Agora podemos prever que o ponto de destruição total das nuvens ocorrerá quando a quantidade de CO2 atingir 1.200 ppm (partículas por milhão) fazendo com que a temperatura média da Terra aumente 4 oC devido ao CO2 e mais 8 oC devido ao desaparecimento gradativo das nuvens. Imagine o mundo 12 oC mais quente!
Atenção:
A concentração de CO2 era de 280 ppm antes do inicio da era industrial e atualmente é de 410 ppm e o aumento médio da temperatura foi de 1 oC.
As estimativas mais otimistas são de que até 2050 dobre esta concentração e com isso a temperatura deva aumentar de 2 oC comparado com o pré industrial, mas acrescentando os estudos atuais de nuvens, já está se tornando consenso em rever as estimativas para 3 a 5 oC de diferença.
O que podemos deduzir até aqui?
Do ponto de vista do conhecimento pessoal, creio que este trabalho dos cientistas no estudo das nuvens resolve um grande debate. Sabemos que o vapor de água é mais abundante na atmosfera do que o CO2 e que ele também produz efeito estufa. Sabemos também que o CO2 é pouco abundante na atmosfera e também produz efeito estufa. Ora, por lógica, a nossa maior preocupação deveria ser com relação ao vapor de água para resolvermos o Efeito Estufa, e este é o argumento de muitos (bons!) cientistas, que criticam o movimento contra o dióxido alegando que “ ele é pouco mais do que 0,042% da atmosfera, enquanto o vapor de água é 0,25% da massa total da atmosfera, logo ele é mais importante”
O trabalho de Schneider e os outros cientistas que trabalham com nuvens foi o de demonstrar que, ao aumentarmos o percentual de dióxido de carbono estamos destruindo as nuvens e, sem elas, a radiação sobre a Terra aumenta e entramos em um loop: mais CO2, mais mais calor2 mais calor menos nuvens, menos nuvens mais radiação, mais radiação mais calor… etc. etc. até as nuvens acabarem!
Então sim, o vapor de água é fundamental, mas o CO2 afeta a temperatura, que afeta a formação das nuvens e da quantidade de vapor de água que as forma.
Isto se chama retro-alimentação positiva.
Para aqueles que se lembram de química do científico, o nome de Svante Arrenhius (prêmio Nobel de química em 1903) não é desconhecido. Ele foi o primeiro a suspeitar da influência do aumento do CO2 pelo industrialização na temperatura da atmosfera.
Posso ver isto na prática?
Sim, em São Paulo de manhã é usual termos stratus cobrindo o céu com base a 300 m de altura. À medida que o Sol vai aquecendo a parte superior da nuvem, ela vai se afinando e aparecem fraturas por onde a luz do Sol pode passar e vai aquecendo a superfície. Ela então passa a ser um conjunto de stratus- cumulus que algumas horas depois desaparecem.
Estas nuvens stratus provocam uma chuva fininha, a típica garoa paulistana. Com o aumento da temperatura elas têm mais dificuldade em se formar e se tornam cada vez menos frequentes. com isso se tornam cada vez mais fortes as chuvas dos grandes cumulus-ninbus, que produzem fortes chuvas em curtos intervalos de tempo.
Como bem me fez notar o Prof. Dr. Giovanni Dolif, que é meteorologista do CEMADEN, se olharmos a quantidade de chuva total ao longo do último ano, ela é menor do que nos anos anteriores, por isso as represas não conseguem reestabelecer os níveis máximos, mas quando as chuvas vêm elas o fazem de maneira mais abrupta, provocando os desastres ambientais.
Então é isso, ao jogarmos dióxido de carbono na atmosfera ele amplifica o efeito estufa sim, provocando um aumento de temperatura próximo ao solo. O aumento de temperatura na superfície aumenta a turbulência da convecção no interior das nuvens. Este aumento de turbulência faz com que, quando o ar úmido chegue no topo da nuvem ele escape e é absorvido pelo ar seco. Ar seco absorve mais umidade, ou seja desaparecem as gotas do topo da nuvem e ela se torna mais fina.
Diminuindo a espessura das nuvens, mais radiação solar atinge a superfície da Terra aquecendo-a mais ainda. Maior temperatura na superfície da Terra implica em correntes ascensionais de convecção mais fortes no interior da nuvem e aí o processo entra num loop, diminuindo a espessura mais radiação atinge a superfície da Terra aumentando a temperatura, e isso se repete
Se, por mágica, pudéssemos eliminar todas as emissões de CO2, tanto as naturais (erupções vulcânicas etc.) como as geradas pelo homem, o processo de afinar a nuvem não pararia imediatamente. Os meteorologistas comparam esta "inércia" ao processo de histerese, ou seja, se ficarmos sem nuvens, mesmo diminuindo o CO2, leva tempo para elas se formarem de novo.
Há um detalhe importante a ser considerado: Ao aquecer o solo, aumenta a evaporação. Porém o fato de termos mais vapor na atmosfera não implica diretamente que tenhamos mais nuvens, a nuvem é formada por gotas de água líquida, enquanto a evaporação é um processo de moléculas de água.
Este infograma (desculpem se é em inglês) explica perfeitamente o que acontece.
Mais algumas informações:
Esta é uma ótima explicação de como se formam os stratus-cumulus e veja com atenção o finalzinho onde estão bem explicadas as trocas de energia (em inglês).
abaixo temos uma sequência de formação de um cumulus-nimbus visto de baixo, numa área de 3 X 3 km, de acordo ao modelo matemático LES. Impressionante o quanto ela se assemelha a uma nuvem verdadeira!
Agradecimentos
Queria agradecer ao Prof. Dr. Giovanni Dolif, meteorologista do CEMADEN pela paciência que teve em corrigir o que escrevi originalmente e, graças a seus conhecimentos tornar mais acessível levar conceitos corretos a todos. Se você se interessa por meteorologia e previsão do tempo, aconselho vivamente que leia o livro que ele publicou sobre o assunto. " Meteorologia para navegar, voar e curtir" .Com linguagem clara e concisa, todos nós aprendemos muito com ele.
Obrigado e até o próximo blog
Elio Somaschini
CRAPUN
Parabéns caro Elio pelo bellíssimo texto! Muito bem embasado com argumentos científicos. Utilizarei em minhas aulas. Abração
Erminio