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As partículas de aerossol são minúsculas. Girando suspensas no ar ao nosso redor, a maioria é menor que o menor inseto, mais fina que o mais fino fio de cabelo da sua cabeça, partículas finas praticamente invisíveis a olho nu. As recém-formadas são nanométricas. No entanto, sua influência é gigantesca.
Eles determinam a cor do pôr do sol. Eles causam mais de três milhões de mortes prematuras a cada ano. E o poder que eles têm sobre o nosso clima é enorme.
Apesar do seu efeito descomunal, os aerossóis estão envoltos em mistério. Como novas partículas de aerossol surgem? Onde elas nascem e sob quais condições? Essas questões têm incomodado os cientistas do clima por décadas e imbuído os modelos climáticos com incertezas persistentes.
Em um novo trabalho, uma equipe liderada por cientistas do Pacific Northwest National Laboratory do Departamento de Energia finalmente respondeu a algumas das perguntas mais fundamentais sobre como novas partículas de aerossol vêm a existir. Ao contabilizar interações em nível molecular entre substâncias que compõem essas minúsculas partículas em um modelo de sistema terrestre, a equipe, cujo trabalho é realizado sob o projeto chamado EAGLES (Enabling Aerosol-cloud interactions at GLobal convection-permitting scalES), atingiu três marcos importantes.
Eles integraram 11 novos caminhos pelos quais novas partículas de aerossol se formam em um modelo climático global, identificaram onde no mundo esses caminhos estão se desenvolvendo e avaliaram seus impactos potenciais no clima da Terra.
“Representar adequadamente a formação de novas partículas tem sido um espinho em nossos lados por algum tempo”, disse o cientista da Terra e principal pesquisador do EAGLES, Po-Lun Ma. “Agora que identificamos esses novos mecanismos, nossos resultados devem fazer duas coisas importantes: reduzir substancialmente o que tem sido a maior fonte de incerteza na ciência do clima de aerossóis até o momento e melhorar nossa capacidade de prever como o sistema da Terra pode mudar.”
Seus resultados foram publicados recentemente na Nature. O trabalho representa um esforço colaborativo entre muitas instituições.
Pontos quentes de partículas
Partículas de aerossol surgem de diferentes maneiras. Algumas, conhecidas como aerossóis primários, são ejetadas diretamente para a atmosfera, como poeira de um deserto ou cinzas de um vulcão. Outras nascem no céu, produtos de gases que se misturam no meio atmosférico — essas são as partículas que chamam a atenção da equipe EAGLES.
Novas partículas não nascem em qualquer lugar; há pontos quentes. Grande parte da ação acontece acima das florestas, como as florestas tropicais da Amazônia Central e do Sudeste Asiático.
Lá, o ar “limpo” livre de aerossóis primários permite o tipo certo de mistura química que abre caminho para novas partículas. Cientistas detectaram enormes concentrações de novas partículas acima dessas florestas.
Mas os modelos climáticos de hoje são parcialmente cegos para esses grandes picos de partículas. Quando pressionados a estimar quantas partículas estão presentes ou onde na atmosfera elas aparecem, até mesmo os melhores modelos subestimam muito sua abundância ou identificam erroneamente em quais altitudes elas aparecem.
Graças aos novos caminhos reunidos pela equipe EAGLES, no entanto, esse ponto cego agora está sendo esclarecido. Quando a equipe conectou os caminhos ao modelo do sistema terrestre do DOE, E3SM, os picos de partículas coincidiram com o que eles tinham visto em observações do mundo real.
O modelo revisado não apenas simulou corretamente a quantidade dessas partículas, como também combinou onde os pesquisadores as encontraram durante as campanhas de campo, identificando corretamente que muitas das novas partículas aparecem na troposfera superior. A equipe encontrou sucesso semelhante ao combinar as previsões do modelo com as medições do mundo real em outros pontos críticos, como acima dos oceanos e cidades.
Quando eles fizeram uma análise mundial, a equipe descobriu que a concentração global média dessas partículas era quase o triplo da quantidade estimada usando métodos tradicionais.
Nuvens que controlam o clima
Aerossóis e nuvens têm uma relação muito próxima. Partículas de aerossol são as sementes das nuvens. A umidade atmosférica condensa nas superfícies das partículas de aerossol, uma molécula de água coagulando após a outra como fios de algodão-doce em camadas sobre um cone.
As propriedades de uma partícula — sua composição química, seu tamanho e estrutura — moldam as características da nuvem resultante que se forma ao redor dela. Um tipo de partícula pode fazer com que sua nuvem correspondente tenha mais ou menos probabilidade de chover. Outro pode determinar se uma nuvem reflete mais ou menos luz solar, determinando por sua vez se a atmosfera da Terra esquenta mais ou menos.
Dessa forma, nuvens e partículas de aerossol controlam muito do nosso tempo e clima. Elas podem aquecer, resfriar ou até mesmo alterar a estrutura e o fluxo da atmosfera da Terra.
Muitos cientistas acreditam que novas partículas — o tipo que a equipe EAGLES está tentando entender — compõem aproximadamente metade das sementes do mundo que mais tarde se tornam nuvens. No novo trabalho, no entanto, a equipe mostra que essas partículas podem, em algumas regiões, ser responsáveis por ainda mais.
Sobre os oceanos tropicais e de latitude média, novas partículas geradas localmente podem ser responsáveis por até 80 por cento do material sobre o qual as nuvens se condensam. Sobre a Europa e o leste dos Estados Unidos, elas podem ser responsáveis por 65 por cento do material semente para as nuvens.
O papel das partículas na resposta climática
Entender como os aerossóis influenciam o clima da Terra é uma parte fundamental da previsão de como nosso mundo mudará. À medida que as nações buscam conter o aquecimento global reduzindo as emissões, o clima responderá por sua vez. E melhorar os modelos climáticos para refletir de perto a complexidade do sistema da Terra, disse Ma, é imperativo na previsão da resposta climática.
“Nosso objetivo principal é criar representações cada vez mais realistas do sistema climático”, disse Ma. “E os aerossóis têm sido um grande obstáculo em nosso caminho em direção a esse objetivo. Dependemos muito dos modelos do sistema da Terra — para testar cenários de emissões e prever respostas climáticas. Quanto mais eles espelham a realidade, mais confiantes podemos estar em nossas previsões.”
Embora ainda haja muito mistério em torno das partículas de aerossol, disse o cientista da Terra Hailong Wang, coautor do novo trabalho, os pesquisadores estão continuamente eliminando essa incerteza.
“Não podemos dizer com segurança qual será o impacto total de sua presença ou ausência até que tenhamos uma compreensão sólida e mecanicista das partículas de aerossol”, disse Wang. “E esta pesquisa marca um passo significativo em direção a essa compreensão.”
Este trabalho, “Variabilidade global em mecanismos de formação de novas partículas atmosféricas”, foi apoiado pelo programa de Pesquisa Biológica e Ambiental do DOE dentro do Office of Science. Recursos para modelagem foram obtidos do National Energy Research Scientific Computing Center, que é apoiado pelo programa Advanced Scientific Computing do DOE.
Além de Ma e Wang, os coautores do PNNL incluem Kai Zhang, Manish Shrivastava, Shuaiqi Tang, Jerome Fast e Balwinder Singh. As descobertas representam um esforço colaborativo entre várias instituições, incluindo a Tsinghua University, o National Center for Atmospheric Research, a Carnegie Mellon University, o California Institute of Technology, a Ocean University of China, a Nanjing University, a Xiamen University e a Fudan University.
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