Das nuvens aos fiordes, o Ártico testemunha as alterações climáticas

A mudança climática é particularmente intensa no Ártico. Para avaliar suas consequências e determinar qual papel essa região desempenha no aquecimento global, duas equipes de cientistas da EPFL visitaram a área. Uma para obter uma melhor compreensão da composição do ar da região, a outra para quantificar os gases de efeito estufa sequestrados nos fiordes da Groenlândia originados pela água glacial.

No Ártico — uma região onde as temperaturas estão subindo três a quatro vezes mais rápido do que em qualquer outro lugar da Terra. Paralelamente, a quantidade de “vida” no Oceano Ártico está aumentando, o que está afetando a produção de aerossóis biológicos e impactando a formação de nuvens.

Julia Schmale, chefe do Extreme Environments Research Laboratory (EERL) da EPFL, e seu grupo de pesquisa estão trabalhando para quantificar esse processo crítico. Um aumento nas nuvens no Ártico pode aquecer ou resfriar a região, dependendo da extensão do gelo marinho.

“Sabemos que as nuvens do Ártico são geralmente feitas de gotículas de água e cristais de gelo”, diz Schmale. “Mas ainda há muito a ser aprendido sobre sua composição exata e como elas são formadas.

“Por exemplo, as sementes de gotículas de água e cristais de gelo — são sal marinho, partículas orgânicas, partículas inorgânicas ou pó mineral? E o mais importante, qual porcentagem dessas sementes vem de fontes naturais e qual porcentagem da atividade humana?”

Início de uma resposta

Dois estudos liderados pelo grupo de pesquisa de Schmale lançaram luz sobre esse campo de estudo complexo e estrategicamente importante. Eles olharam especificamente para as partículas naturais de aerossol que agem como sementes de nuvens, ou as sementes que permitem que cristais de gelo em nuvens sejam formados.

O primeiro estudo, publicado em Elem Ciência Ant.quantifica pela primeira vez a quantidade de aerossóis biológicos fluorescentes contidos no ar do Ártico. Esses aerossóis são principalmente bactérias e partículas contendo aminoácidos que são produzidas no oceano ou em terra.

Eles são muito eficientes na semeadura de cristais de gelo: o gelo começa a se formar a –9°C, enquanto com poeira mineral, por exemplo, o gelo começa a se formar em torno de –20°C.

Este estudo se baseia em dados coletados em um quebra-gelo ao longo de um ano inteiro (entre 2019 e 2020) durante a expedição MOSAIC. “Usamos um instrumento baseado em laser para fazer medições segundo a segundo da fluorescência de partículas de ar”, diz Schmale.

“Partículas que fluorescem geralmente são de origem biológica.” Esses dados permitiram que os cientistas estimassem a concentração de aerossóis biológicos naturais no ar e formassem hipóteses sobre de onde eles vieram.

No inverno, por exemplo, os cientistas observaram “explosões” desses aerossóis, o que foi surpreendente, dado que o oceano fica congelado durante esse período e não há muita atividade biológica. Os cientistas levantaram a hipótese de que os aerossóis foram transportados, como dentro das nuvens, de áreas distantes.

Em junho, a concentração de aerossóis biológicos começou a aumentar drasticamente, coincidindo com um pico de atividade biológica medido pelos altos níveis de clorofila na água.

Houve também um aumento acentuado na quantidade de partículas de nucleação de gelo a –9°C. Embora nenhuma causalidade direta possa ser demonstrada, esta é uma forte indicação de que partículas biológicas de origem local contribuem para a nucleação de gelo de sementes de nuvens no Ártico central. Processos paralelos foram observados ao longo do ano.

“Curiosamente, como a produção de clorofila caiu no outono e os micróbios maiores na água do oceano foram substituídos por outros menores, o tamanho dos aerossóis fluorescentes também diminuiu”, diz Schmale. “Isso reflete uma transição microbiana marinha sazonal que também ocorreu no ar.”

Análise de aprendizado de máquina

O segundo estudo, publicado em npj Clima e Ciência Atmosféricaé baseado em uma análise de aprendizado de máquina de medições de aerossóis e dados meteorológicos da última década.

É o primeiro a identificar quais fatores meteorológicos estão por trás da produção de ácido metanossulfônico (MSA), um importante aerossol marinho criado por florações de fitoplâncton, e como essa produção provavelmente mudará nos próximos 50 anos. O MSA é um componente-chave dos núcleos de condensação de nuvens, ou as sementes para gotículas de nuvens, e, portanto, é relevante para o clima.

Enquanto isso, o estudo Climate and Atmospheric Science examinou possíveis tendências de MSA no Ártico. Cientistas do EERL trabalharam com o Swiss Data Science Center para combinar observações de campo com análises de dados meteorológicos e trajetórias de massa de ar.

Eles desenvolveram um modelo baseado em dados para obter maior percepção dos fatores responsáveis ​​pela produção de MSA hoje. Por exemplo, os cientistas descobriram que a radiação solar, a cobertura de nuvens e o conteúdo de água nas nuvens são fatores críticos, apontando para processos químicos atmosféricos específicos.

A equipe de pesquisa então calculou tendências nesses fatores nas últimas décadas e as extrapolou para delinear cenários para a sazonalidade da MSA no Ártico daqui para frente.

“Nossa principal descoberta é que provavelmente haverá menos MSA na primavera e muito mais no outono”, diz Schmale. “Isso se deve a mudanças sazonais na precipitação na primavera e a um recuo acentuado do gelo marinho no outono.” Isso sugere que a mudança climática afeta os aerossóis que influenciam a formação de nuvens, o que por sua vez afeta a mudança climática.

Fazendo as perguntas certas

Cientistas já estão planejando outra expedição internacional ao Ártico e estão preparando um navio de pesquisa — a Estação Polar Tara — para coletar dados do Ártico central nos próximos 20 anos.

“Os avanços alcançados por esses dois estudos são fascinantes, na minha opinião, porque mostram o quão importantes são as fontes naturais de partículas de aerossol para o sistema climático do Ártico e sugerem que essas fontes mudarão drasticamente nas próximas décadas”, diz Schmale.

“Esses resultados iniciais nos dizem que mais pesquisas são urgentemente necessárias para prever como será o Ártico em 2050. Eles nos ajudarão a fazer as perguntas certas para estudos futuros neste campo.”

Gases armazenados nos fiordes da Groenlândia podem contribuir para o aquecimento global

Em junho de 2024, outra equipe de cientistas da EPFL viajou por dois fiordes lindamente selvagens da Groenlândia. Nas profundezas dessas enseadas originadas por geleiras centenárias, eles mapearam a quantidade de dois gases de efeito estufa dissolvidos na água em profundidade.

Eles querem determinar se esses gases de efeito estufa poderiam potencialmente amplificar o aquecimento global por meio de algum mecanismo de feedback natural desconhecido. Este projeto faz parte da expedição internacional GreenFjord, programada para ocorrer de 2022 a 2026, financiada pelo Swiss Polar Institute e cientificamente liderada por Julia Schmale.

“Trazemos nossa expertise tecnológica para a Groenlândia, projetando os instrumentos certos para analisar gases de efeito estufa dissolvidos em ambientes aquáticos e documentar sua variabilidade espacial. Nosso objetivo é responder a perguntas fundamentais sobre o papel da Groenlândia no futuro da mudança climática global”, diz Jérôme Chappellaz, que lidera o Laboratório de Sensoriamento Ambiental Inteligente em Ambientes Extremos (SENSE) da EPFL.

Em períodos interglaciais passados, quando a Groenlândia estava parcialmente derretida, é possível que as regiões derretidas estivessem cobertas de tundra e florestas boreais, conhecidas por levar a solo rico em material orgânico. À medida que esses solos organicamente ricos se decompõem, eles emitem dióxido de carbono e metano, o que é uma das razões pelas quais os cientistas estão tão interessados ​​na contribuição da Groenlândia para as emissões globais.

Observe que as geleiras da Groenlândia são diferentes das da Suíça.

“É altamente improvável que encontremos o mesmo fenômeno nas geleiras suíças, já que elas foram formadas em altitudes muito elevadas, onde a vegetação é quase inexistente”, explica Chappellaz.

Impactos na microbiologia

Fiordes são enseadas longas, estreitas e profundas do mar entre penhascos altos, geralmente formadas pela submersão de um vale glacial.

Chappellaz e sua equipe se beneficiam de um projeto interdisciplinar chamado GreenFjord, coordenado por Julia Schmale, que lidera o Extreme Environments Research Laboratory (EERL) da EPFL. Eles projetaram instrumentos avançados especificamente para medir metano dissolvido (CH₄) e óxido nitroso (N₂O) em várias profundidades de água nos dois fiordes no sudoeste da Groenlândia, até 700 m de profundidade.

O fiorde alimentado por uma geleira que termina no mar consiste, na verdade, em um continuum de fiordes, Ikersuaq, Brederfjord e Sermilik, onde a água da geleira chega de baixo da geleira flutuante para o fiorde e depois para o mar do Labrador, formando progressivamente uma camada de água glacial flutuando sobre a água do mar.

Em contraste, o fiorde Tunulliarfik, habitado pelo assentamento Igaliku fundado em 1783, tem sua origem em uma geleira que termina em terra e onde a água do degelo invade a superfície das águas do fiorde desde o início do próprio fiorde.

“As características distintas dos dois cenários geram grandes diferenças na estrutura física da coluna de água, bem como na entrada de nutrientes, ambos afetando a microbiologia nos dois fiordes e, então, o destino desses dois gases de efeito estufa. É isso que queremos comparar e quantificar. Em uma situação de desintegração da calota de gelo da Groenlândia, é uma questão em aberto se tais mecanismos poderiam adicionar outra fonte inesperada de emissões de efeito estufa além daquelas de origem humana”, explica Chappellaz.

Uma fonte inesperada de gases de efeito estufa?

Chappellaz e sua equipe visitaram os fiordes de terminação marinha e terrestre a bordo do navio oceanográfico Sanna. A bordo do veleiro suíço, o Forel, eles se concentraram no de terminação marinha. Os cientistas conseguiram chegar perto o suficiente da frente da geleira no fiorde de terminação marinha, para medir e, esperançosamente, caracterizar quanto metano entra no fiorde através do sistema de água subglacial.

Numa publicação de 1995, Chappellaz mostra que a produção de gases com efeito de estufa no solo da Gronelândia é forte e que grandes concentrações de dióxido de carbono (CO₂) e metano estão atualmente presos no gelo basal, localizado no coração da calota de gelo da Groenlândia.

“A questão natural é, então, quanto desses gases de efeito estufa são liberados quando a água da geleira derrete? Quanto está chegando à costa e possivelmente contribuindo para fluxos significativos liberados na atmosfera? Em uma situação de desintegração da calota de gelo da Groenlândia, é uma questão em aberto se tais mecanismos poderiam adicionar outra fonte inesperada de emissões de efeito estufa além das de origem humana”, diz Chappellaz.

A mudança climática futura é sobre duas contribuições principais: emissões devido à atividade humana e amplificações de fontes naturais em um mundo mais quente. Em outras palavras, quanto as sociedades humanas adicionarão em termos de emissões de gases de efeito estufa e em que ritmo; e quanta amplificação em um mundo mais quente apareceria do feedback natural.

“Nosso trabalho na Groenlândia explora possíveis mecanismos de feedback natural, dando-nos uma visão urgente sobre questões científicas fundamentais sobre o futuro do nosso clima em um contexto onde ainda há muitas incertezas e processos desconhecidos”, diz Chappellaz.