O desequilíbrio energético da Terra mais que dobrou nas últimas décadas
Autoria
Thorsten Mauritsen, Yoko Tsushima, Benoit Meyssignac, Norman G. Loeb, Maria Hakuba, Peter Pilewskie, Jason Cole, Kentaroh Suzuki, Thomas P. Ackerman, Richard P. Allan, Timothy Andrews, Frida A.-M. Bender, Jonah Bloch-Johnson, Alejandro Bodas-Salcedo, Anca Brookshaw, Paulo Ceppi, Nicolas Clerbaux, Andrew E. Dessler, Aaron Donohoe, Jean-Louis Dufresne, Veronika Eyring, Kirsten L. Findell, Andrew Gettelman, Jake J. Gristey, Ed Hawkins, Patrick Heimbach, Helene T. Hewitt, Nadir Jeevanjee, Colin Jones, Sarah M. Kang, Seiji Kato, Jennifer E. Kay, Stephen A. Klein, Reto Knutti, Ryan Kramer, June-Yi Lee, Daniel T. McCoy, Brian Medeiros, Linda Megner, Angshuman Modak, Tomoo Ogura, Matthew D. Palmer, David Paynter, Johannes Quaas, Veerabhadran Ramanathan, Mark Ringer, Karina von Schuckmann, Steven Sherwood, Bjorn Stevens, Ivy Tan, George Tselioudis, Rowan Sutton, Aiko Voigt, Masahiro Watanabe, Mark J. Webb, Martin Wild, Mark D. Zelinka. Primeira publicação: 10 de maio de 2025
Resumo
O aquecimento global resulta das emissões antropogênicas de gases de efeito estufa que desequilibram o delicado equilíbrio entre a luz solar que chega e a radiação refletida e emitida pela Terra. O desequilíbrio leva ao acúmulo de energia na atmosfera, oceanos e terra, além do derretimento da criosfera, resultando em aumento das temperaturas, elevação do nível do mar e clima mais extremo ao redor do globo. Apesar do papel fundamental do desequilíbrio energético na regulação do sistema climático, conhecido pela humanidade há mais de dois séculos, nossa capacidade de observá-lo está se deteriorando rapidamente à medida que satélites são desativados.
Resumo em linguagem simples
O aquecimento global é causado pelo desequilíbrio entre a radiação recebida do Sol e a radiação infravermelha refletida e saída da Terra. O desequilíbrio leva ao acúmulo de energia na atmosfera, oceanos e terra, além do derretimento da criosfera, resultando em aumento das temperaturas, elevação do nível do mar e condições climáticas mais extremas ao redor do globo, segundo o Painel Intergovernamental das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas (IPCC). Observações do espaço sobre o desequilíbrio energético mostram que ele está subindo muito mais rápido do que o esperado, e em 2023 atingiu valores duas vezes maiores do que a melhor estimativa do IPCC. Defendemos que devemos nos esforçar para compreender melhor essa mudança fundamental no estado climático da Terra e garantir nossa capacidade de monitorá-la no futuro.
Pontos Principais
O desequilíbrio energético da Terra mais que dobrou nas últimas décadas
Essa grande tendência nos pegou de surpresa e, como comunidade, devemos nos esforçar para entender as causas subjacentes
Nossa capacidade de observar o desequilíbrio energético da Terra e os termos orçamentários da Terra está ameaçada à medida que satélites são desativados
O aquecimento global resulta das emissões antropogênicas de gases de efeito estufa que desequilibram o delicado equilíbrio entre a luz solar que chega e a radiação refletida e emitida pela Terra. O desequilíbrio leva ao acúmulo de energia na atmosfera, oceanos e terra, além do derretimento da criosfera (von Schuckmann et al., 2023), resultando em aumento das temperaturas, elevação do nível do mar e clima mais extremo ao redor do globo (IPCC, 2021). Apesar do papel fundamental do desequilíbrio energético na regulação do sistema climático, conhecido pela humanidade há mais de dois séculos (Fourier, 1822), nossa capacidade de observá-lo está rapidamente se deteriorando à medida que satélites são desativados (Loeb et al., 2024).
Preocupantemente, o desequilíbrio energético observado está aumentando muito mais rápido do que o esperado, atingindo 1,8 em 2023 — ou o dobro do previsto pelos modelos climáticos — após ter mais que doblado em apenas duas décadas (Figura 1). Essa forte tendência de alta no desequilíbrio é difícil de conciliar com os modelos climáticos: mesmo que o aumento do forçamento radiativo antropogênico e a resposta climática associada sejam levados em conta, modelos climáticos globais de ponta mal conseguem reproduzir a taxa de mudança até 2020 dentro da incerteza observacional (Raghuraman et al., 2021). O aumento contínuo do desequilíbrio energético desde 2020 nos deixa com poucas dúvidas de que o sinal real deixou o envelope da variabilidade interna do modelo. A causa raiz da discrepância entre modelos e observações atualmente não é bem conhecida, mas parece ser dominada por uma diminuição na refletividade solar da Terra (Goessling et al., 2024; Stephens et al., 2022), e experimentos modelo sugerem que isso pode ser devido a padrões de temperatura da superfície do mar mal modelados, à representação e emissões de partículas de aerossol poluentes, ou a outra coisa (Hodnebrog et al., 2024). Wm-2
Figura 1: Desequilíbrio energético médio global anual observado no espaço durante 2001–2024. O desequilíbrio é derivado do conjunto de dados CERES-EBAF Edição 4.2.1 (Loeb et al., 2018). A linha azul mostra a tendência linear no período de 2001–2024 quando as médias anuais completas estão disponíveis. O sombreamento cinza mostra anos afetados por grandes eventos do El Niño.
O desequilíbrio de energia é resultado de múltiplos fatores: forçamento, retroalimentação e variabilidade interna. A principal força é a das emissões antropogênicas que levam ao acúmulo de dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa na atmosfera; a radiação infravermelha emitida para o espaço é reduzida, causando um desequilíbrio cada vez maior. Parte do forçamento positivo dos gases de efeito estufa é compensado pela presença de aerossóis antropogênicos, que resfriam o clima ao refletir a luz solar de volta para o espaço e influenciam a reflexão das nuvens. O forçamento causado por aerossóis, mesmo nas últimas décadas, é pouco conhecido (Bellouin et al., 2020). Mas algumas evidências sugerem que o efeito de resfriamento está enfraquecendo à medida que os governos abordam questões de qualidade do ar (por exemplo, Hodnebrog et al., 2024). No entanto, o aumento das temperaturas superficiais também leva a mais emissão infravermelha para o espaço, o que reduz o desequilíbrio de energia, constituindo um mecanismo de realimentação negativa. O aquecimento ativa ainda mais outros feedbacks climáticos provenientes de nuvens, vapor d'água, criosfera, etc., que juntos atuam para amplificar o aquecimento global. No geral, acredita-se que as reações negativas dominem, de modo que, nas últimas décadas, a radiação de saída aprimorada dos mecanismos de realimentação deveria ter compensado uma parte substancial do aumento da força radiativa. Além disso, a variabilidade interna decorrente do clima e modos mais lentos, como o El Niño, pode causar flutuações ano a ano no desequilíbrio energético. Isso mostra que existem muitos, às vezes contrabalançando, fatores que causam o desequilíbrio de energia, todos os quais podem desempenhar um papel na determinação da taxa de aumento acelerada observada. Com um aquecimento global observado de cerca de 0,6 K no período de 2001–2024, a radiação de saída aprimorada dos mecanismos de realimentação deveria ter compensado uma parte substancial do aumento do forçamento radiativo, mas isso não é claramente evidente pelo registro observacional.
Muita atenção foi dada às temperaturas superficiais recorde em 2023 e 2024, e isso tem impacto no desequilíbrio energético, já que também bateu todos os recordes em 2023. Um grande acúmulo de energia em um único ano, no entanto, não necessariamente causa a anomalia de temperatura naquele ano. Na verdade, a temperatura em 1 ano talvez seja melhor pensada como resultado da energia acumulada nos anos anteriores, combinada com qualquer mudança rápida no forçamento (por exemplo, emissões de aerossóis, erupções vulcânicas ou forçamento solar), variabilidade interna dentro do sistema climático, bem como mecanismos de retroalimentação climática. O desequilíbrio energético começou a diminuir já na segunda metade de 2023 e continuou a enfraquecer em 2024 (Figura 1), sugerindo que mecanismos de retroalimentação estabilizadora agora estão ativos após o evento El Niño. Um padrão semelhante foi observado após o El Niño de 2009/10, mas não tão pronunciado no evento de 2015/16. Notavelmente, a queda em 2024 em relação a 2010 segue a tendência geral de alta e os próximos anos indicarão se o desequilíbrio energético permanecerá nesse nível mais modesto ou se recuperará aos níveis altos observados nos últimos anos.
Desvendar as causas e efeitos subjacentes das mudanças no desequilíbrio energético depende fortemente da observação das tendências tanto no infravermelho emitido quanto na luz solar refletida, e em como elas variam espacialmente e ao longo das estações. Os componentes do desequilíbrio energético da Terra são atualmente observados usando uma combinação do CERES da NASA a bordo de vários satélites em órbita polar e do instrumento de irradiância solar total (TSIS-1) na Estação Espacial Internacional. A média dessas observações para 07/2005-06/2015 é limitada por estimativas do aumento da energia interior, predominantemente devido ao aumento das temperaturas oceânicas monitoradas usando milhares de flutuadores autônomos Argo (Johnson et al., 2016). O registro resultante do orçamento de radiação requer sobreposição de diferentes instrumentos em órbita para garantir que não haja descontinuidades entre missões sucessivas e para evitar a perda de dados críticos. Se houver uma lacuna no registro com esse sistema, nossa capacidade de acompanhar e entender mudanças no desequilíbrio energético está severamente comprometida (Loeb et al., 2024). Atualmente, quatro conjuntos de instrumentos CERES estão no espaço, e a missão sucessora Libera (por exemplo, Hakuba et al., 2024), com capacidades semelhantes ou melhoradas, está planejada para ser lançada em 2027. É provável que, dentro de uma década, o Libera seja o único instrumento no espaço, já que os outros satélites forem desativados. Até lá, será um único ponto de falha e, no momento, não há planos formais para continuar esse registro vital após o fim da missão de Libera. Para a irradiância solar, o instrumento subsequente de irradiância solar total (TSIS-2) está programado para ser lançado em 2025, mas tem uma vida útil planejada de apenas 3 anos.
Em uma perspectiva mais ampla, existem iniciativas complementares que focam em medir o próprio desequilíbrio energético, e menos nos componentes orçamentários individuais de entrada e saída. Uma iniciativa dos EUA é baseada em satélites pretos quase esféricos com acelerômetros que medirão a pressão de radiação (Hakuba et al., 2019), e uma missão europeia proposta utiliza uma constelação de satélites, cada um equipado com quatro radiômetros evoluídos de campo de visão amplo, complementados com câmeras para informações espaciais (por exemplo, Hocking et al., 2024). Ao focar em medir com precisão o próprio desequilíbrio de energia, essas medições diretas do espaço podem ser feitas independentemente de outros sistemas. Nenhuma dessas missões propostas ainda foi financiada e, mesmo com financiamento suficiente, é improvável que decolem antes da segunda metade da década de 2030. No entanto, a implementação bem-sucedida dessas missões fornecerá medições independentes, capacidades complementares e redundância crucial quando combinadas com a linha de instrumentos CERES/Libera.
Será realmente crucial monitorar de perto e compreender quantitativamente as mudanças no acúmulo de energia da Terra, especialmente nas próximas décadas, à medida que as nações do mundo tomam medidas para manter o aquecimento global bem abaixo de 2° (Nações Unidas, 2015). Estabilizar o aquecimento global abaixo de 2° ainda pode ser alcançado eliminando rapidamente a queima de combustíveis fósseis. Se bem-sucedidos, tais esforços de mitigação se manifestarão primeiro em um pico, seguido por uma tendência de queda lenta no desequilíbrio energético da Terra, essencialmente décadas à frente do sinal de temperatura (Figura 2, Meyssignac et al., 2023). É no desequilíbrio energético que podemos acompanhar e avaliar a eficácia dos esforços de mitigação em tempo real. E se surpresas surgirem, por exemplo, devido a forçamento de aerossóis inesperadamente grande (Hansen et al., 2023), ou uma perda inesperada de estabilidade climática, então o desequilíbrio é o primeiro ponto onde isso pode ser detectado.
Figura 2: Modelo climático do desequilíbrio global de temperatura média e energia sob um forte cenário de mitigação atingindo a meta de 2° (SSP1-2.6). Séries temporais são estimadas a partir do emulador do sistema terrestre AR6 do IPCC (IPCC, 2021, material suplementar do Capítulo 7). Os dados exibidos são de (Meyssignac et al., 2023). As faixas de incerteza indicam o intervalo de confiança de 90% da propagação causado por incertezas na forçação, na resposta climática e no ciclo do carbono. A faixa de incerteza exibida, portanto, exclui a variabilidade interna. Os pontos marcam o ano de pico em cada série temporal.
Como comunidade, devemos trabalhar sistematicamente para entender e quantificar as causas subjacentes das mudanças no desequilíbrio energético, não apenas no futuro, mas também ano a ano, à medida que surgem dúvidas sobre o recorde combinado de desequilíbrio e temperaturas de 2023; Uma anomalia que claramente pegou todos nós de surpresa. E, junto com agências de financiamento e formuladores de políticas, devemos nos esforçar para garantir uma capacidade robusta e confiável de observar o desequilíbrio energético — talvez a quantidade mais fundamental no sistema climático — durante este momento crucial da história.
Agradecimentos
Este trabalho foi iniciado após uma sessão dedicada em uma reunião do Projeto de Intercomparação de Modelos de Feedback de Nuvem (CFMIP) realizada no Boston College, Massachusetts, de 3 a 4 de junho de 2024. A TM reconhece o apoio do programa Twelfth Earth Explorer (EE12) da Agência Espacial Europeia (ESA), da Agência Espacial Nacional Sueca (Grant 2024-00122), do Swedish e-Science Research Centre (SeRC), do Conselho Sueco de Pesquisa (Grant 2018-04274) e dos projetos do programa Horizon 2020 da União Europeia, NextGEMS (Grant 101003470) e CERTAINTY (Grant 101137680). O YT reconhece o apoio do Programa Climático do MetOffice Hadley Centre, financiado pelo DSIT. A BM reconhece o apoio do programa espacial climático da ESA em atividades trans-ECV e do programa Centre National D'Etudes Spatiales (CNES) sobre sentinel-6 MF. O MH realizou pesquisas no Laboratório de Propulsão a Jato, Instituto de Tecnologia da Califórnia, sob contrato com a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (80NM0018D0004). O KS reconhece o apoio do programa MEXT para o Advanced Studies of Climate Change Projection (SENTAN) (Grant JMPXD0722680395) e o projeto JAXA/EarthCARE. J.J.G. reconhece o apoio do Acordo de Cooperação da NOAA com a CIRES NA22OAR4320151 e do contrato da NASA 80LARC20D0006, e observa que as declarações, conclusões, conclusões e recomendações são dos autores e não refletem necessariamente as opiniões da NOAA ou do Departamento de Comércio dos EUA. O MDZ foi apoiado pela área de Análise Regional e Global de Modelos do Departamento de Energia dos EUA (DOE). O trabalho do MDZ foi realizado sob os auspícios do DOE dos EUA pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore sob o contrato DEAC52-07NA27344. A AG reconhece que o Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico é operado para o Departamento de Energia dos EUA pelo Battelle Memorial Institute sob contrato DE-AC05-76RL01830. O LM reconhece apoio da Agência Espacial Nacional Sueca (Grant 2022-00108).
Conflito de Interesses
Os autores declaram que não há conflitos de interesse relevantes para este estudo.
Declaração de Disponibilidade de Dados
Os dados da Edição 4.2.1 do CERES-EBAF (Loeb et al., 2018) exibidos na Figura 1 foram baixados de https://ceres-tool.larc.nasa.gov/ como médias globais mensais. A produção do modelo exibida na Figura 2 é descrita em um suplemento ao Grupo de Trabalho 1 do Capítulo 7 (IPCC, 2021) (Smith et al., 2021) e Meyssignac et al. (2023). O código e os parâmetros do modelo subjacente estão disponíveis em https://github.com/IPCC-WG1/Chapter-7.
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