Análise: Porque é que os cientistas pensam que 100% do aquecimento global é devido aos humanos | Carbon Brief

A extensão da contribuição humana para o aquecimento global moderno é um tema muito debatido nos círculos políticos, particularmente nos EUA.

Durante uma recente audiência no Congresso, Rick Perry, o secretário de energia dos EUA, observou que “levantar-se e dizer que 100% do aquecimento global é devido à atividade humana, eu acho que na sua face, é simplesmente indefensável”.

No entanto, a ciência sobre a contribuição humana para o aquecimento moderno é bastante clara. As emissões e atividades humanas têm causado cerca de 100% do aquecimento observado desde 1950, segundo o quinto relatório de avaliação do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC).

Here Carbon Brief examina como cada um dos principais fatores que afetam o clima da Terra influenciaria as temperaturas isoladamente – e como seus efeitos combinados predizem quase perfeitamente as mudanças de longo prazo na temperatura global.

A análise do Carbon Brief conclui que:

• Desde 1850, quase todo o aquecimento a longo prazo pode ser explicado pelas emissões de gases de efeito estufa e outras atividades humanas.
• Se as emissões de gases de efeito estufa por si só estivessem aquecendo o planeta, esperaríamos ver cerca de um terço a mais de aquecimento do que realmente ocorreu. Elas são compensadas pelo resfriamento dos aerossóis atmosféricos produzidos pelo homem.
• Aerossóis são projetados para diminuir significativamente até 2100, trazendo o aquecimento total de todos os fatores mais próximo do aquecimento apenas pelos gases de efeito estufa.
• A variabilidade natural do clima da Terra é improvável que desempenhe um papel importante no aquecimento a longo prazo.

Animação de Rosamund Pearce para o Carbon Brief. Imagens via Alamy Stock Photo.

Quanto aquecimento é causado pelo homem?

Em seu quinto relatório de avaliação de 2013, o IPCC declarou em seu resumo para os formuladores de políticas que é “extremamente provável que mais da metade do aumento observado na temperatura média global da superfície” de 1951 a 2010 tenha sido causado pela atividade humana. Por “extremamente provável”, significava que havia entre 95% e 100% de probabilidade de que mais da metade do aquecimento moderno fosse devido aos seres humanos.

Esta afirmação um tanto complicada tem sido muitas vezes mal interpretada como implicando que a responsabilidade humana pelo aquecimento moderno está algures entre 50% e 100%. Na verdade, como o Dr. Gavin Schmidt da NASA apontou, o melhor palpite implícito do IPCC foi que os humanos foram responsáveis por cerca de 110% do aquecimento observado (variando de 72% a 146%), com fatores naturais isoladamente levando a um leve resfriamento nos últimos 50 anos.

Similiarmente, a recente quarta avaliação climática nacional dos EUA descobriu que entre 93% a 123% do aquecimento observado em 1951-2010 foi devido a atividades humanas.

Estas conclusões levaram a alguma confusão sobre como mais de 100% do aquecimento observado poderia ser atribuído à atividade humana. Uma contribuição humana superior a 100% é possível porque a mudança climática natural associada aos vulcões e à actividade solar teria muito provavelmente resultado num ligeiro arrefecimento nos últimos 50 anos, compensando parte do aquecimento associado às actividades humanas.

‘Forcings’ que mudam o clima

Os cientistas medem os vários factores que afectam a quantidade de energia que atinge e permanece no clima da Terra. São conhecidos como “forcings radiativos”.

Estes forcings incluem gases de efeito estufa, que retêm o calor que sai, aerossóis – tanto de actividades humanas como de erupções vulcânicas – que reflectem a luz solar que entra e influenciam a formação de nuvens, alterações na produção solar, alterações na reflectividade da superfície terrestre associadas ao uso da terra, e muitos outros factores.

Para avaliar o papel de cada forçamento diferente nas mudanças de temperatura observadas, o Carbon Brief adaptou um modelo climático estatístico simples desenvolvido pelo Dr. Karsten Haustein e seus colegas da Universidade de Oxford e da Universidade de Leeds. Este modelo encontra a relação entre os forçamentos climáticos humanos e naturais e a temperatura que melhor corresponde às temperaturas observadas, tanto globalmente como apenas sobre as áreas terrestres.

A figura abaixo mostra o papel estimado de cada forçamento climático diferente na mudança das temperaturas globais de superfície desde que os registros começaram em 1850 – incluindo gases de efeito estufa (linha vermelha), aerossóis (azul escuro), uso do solo (azul claro), ozônio (rosa), solar (amarelo) e vulcões (laranja).

Os pontos pretos mostram as temperaturas observadas do projeto Berkeley Terra temperatura superficial, enquanto a linha cinza mostra o aquecimento estimado a partir da combinação de todos os diferentes tipos de forcings

Temperaturas médias globais da superfície de Berkeley Terra (pontos pretos) e influência modelada de diferentes forcings radiativos (linhas coloridas), bem como a combinação de todos os forcings (linha cinza) para o período de 1850 a 2017. Veja os métodos no final do artigo para mais detalhes. Gráfico por Carbon Brief usando Highcharts.

A combinação de todos os forçamentos radiativos geralmente combina bastante bem com as mudanças de longo prazo nas temperaturas observadas. Existe alguma variabilidade ano a ano, principalmente a partir dos eventos do El Niño, que não é impulsionada por mudanças nos forcings. Há também períodos de 1900-1920 e 1930-1950 onde são evidentes algumas divergências maiores entre o aquecimento projetado e observado, tanto neste modelo simples como em modelos climáticos mais complexos.

O gráfico destaca que, de todos os forçamentos radiativos analisados, apenas os aumentos nas emissões de gases de efeito estufa produzem a magnitude do aquecimento experimentado nos últimos 150 anos.

Se apenas as emissões de gases de efeito estufa estivessem aquecendo o planeta, esperaríamos ver cerca de um terço a mais de aquecimento do que realmente ocorreu.

Então, que papéis desempenham todos os outros fatores?

O aquecimento extra dos gases de efeito estufa está sendo compensado pelo dióxido de enxofre e outros produtos da combustão de combustíveis fósseis que formam os aerossóis atmosféricos. Os aerossóis na atmosfera tanto reflectem a radiação solar que entra no espaço como aumentam a formação de nuvens altas e reflectoras, arrefecendo a Terra.

Ozone é um gás com efeito de estufa de curta duração que aprisiona o calor que sai e aquece a Terra. O ozônio não é emitido diretamente, mas é formado quando o metano, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis se decompõem na atmosfera. Os aumentos de ozono são directamente atribuíveis às emissões humanas destes gases.

Na atmosfera superior, as reduções de ozono associadas aos clorofluorocarbonos (CFC) e outros halocarbonos que esgotam a camada de ozono tiveram um modesto efeito de arrefecimento. Os efeitos líquidos das alterações combinadas do ozono atmosférico inferior e superior aqueceram modestamente a Terra em alguns décimos de grau.

Alterações na forma como a terra é utilizada alteram a reflectividade da superfície da Terra. Por exemplo, a substituição de uma floresta por um campo geralmente aumenta a quantidade de luz solar refletida de volta ao espaço, particularmente em regiões nevadas. O efeito climático líquido das mudanças no uso do solo desde 1850 é um arrefecimento modesto.

Volcões têm um efeito de arrefecimento a curto prazo no clima devido à sua injecção de aerossóis de sulfato no alto da estratosfera, onde podem permanecer no alto por alguns anos, reflectindo a luz solar que volta para o espaço. No entanto, uma vez que os sulfatos se deslocam de volta à superfície, o efeito de resfriamento dos vulcões desaparece. A linha laranja mostra o impacto estimado dos vulcões no clima, com grandes picos descendentes de temperaturas até 0,4C associados a grandes erupções.

Finalmente, a atividade solar é medida por satélites nas últimas décadas e estimada com base em contagens de manchas solares no passado mais distante. A quantidade de energia que chega à Terra a partir do Sol flutua modestamente em um ciclo de cerca de 11 anos. Tem havido um ligeiro aumento na atividade solar global desde 1850, mas a quantidade de energia solar adicional que chega à Terra é pequena em comparação com outros forçamentos radiativos examinados.

Nos últimos 50 anos, a energia solar que chega à Terra diminuiu ligeiramente, enquanto as temperaturas aumentaram dramaticamente.

Os forçamentos humanos correspondem ao aquecimento observado

A precisão deste modelo depende da precisão das estimativas dos forçamentos radiativos. Alguns tipos de forçamento radiativo, como o de concentrações atmosféricas de CO2, podem ser medidos diretamente e têm incertezas relativamente pequenas. Outros, como os aerossóis, estão sujeitos a incertezas muito maiores devido à dificuldade de medir com precisão seus efeitos na formação de nuvens.

Estes são contabilizados na figura abaixo, que mostra os forçamentos naturais combinados (linha azul) e humanos (linha vermelha) e as incertezas que o modelo estatístico associa a cada um deles. Essas áreas sombreadas são baseadas em 200 estimativas diferentes de forcings radiativos, incorporando pesquisas que tentam estimar uma faixa de valores para cada um. As incertezas dos fatores humanos aumentam após 1960, impulsionadas em grande parte pelo aumento das emissões de aerossóis após esse ponto.

Temperaturas médias globais da superfície da Terra de Berkeley (pontos negros) e influência modelada de todos os forcings radiativos combinados naturais (linha azul) e humanos (linha vermelha) com suas respectivas incertezas (áreas sombreadas) para o período de 1850 a 2017. A combinação de todos os forcings naturais e humanos (linha cinza) também é mostrada. Veja os métodos no final do artigo para mais detalhes. Gráfico por Carbon Brief usando Highcharts.

Overall, o aquecimento associado a todos os forcings humanos concorda bastante bem com o aquecimento observado, mostrando que cerca de 104% do total desde o início do período “moderno” em 1950 vem de atividades humanas (e 103% desde 1850), o que é similar ao valor reportado pelo IPCC. Os forcings naturais combinados mostram um arrefecimento modesto, impulsionado principalmente por erupções vulcânicas.

O modelo estatístico simples utilizado para esta análise pelo Carbon Brief difere dos modelos climáticos muito mais complexos geralmente utilizados pelos cientistas para avaliar a impressão digital humana sobre o aquecimento. Os modelos climáticos não se “encaixam” simplesmente nos forcings às temperaturas observadas. Os modelos climáticos também incluem variações de temperatura no espaço e no tempo, e podem ser responsáveis por diferentes eficácias dos forçamentos radiativos em diferentes regiões da Terra.

No entanto, ao analisar o impacto dos diferentes forçamentos nas temperaturas globais, os modelos climáticos complexos geralmente encontram resultados semelhantes aos modelos estatísticos simples. A figura abaixo, do Quinto Relatório de Avaliação do IPCC, mostra a influência de diferentes fatores na temperatura para o período de 1950 a 2010. As temperaturas observadas são mostradas em preto, enquanto a soma dos forcings humanos é mostrada em laranja.

Isto sugere que só os forcings humanos teriam resultado em aproximadamente 110% do aquecimento observado. O IPCC também incluiu a magnitude estimada da variabilidade interna durante esse período nos modelos, que sugerem ser relativamente pequena e comparável à dos forcings naturais.

Como o Prof. Gabi Hegerl da Universidade de Edimburgo diz ao Carbon Brief: “O relatório do IPCC tem uma estimativa que basicamente diz que o melhor palpite é não contribuir com tanta incerteza”

As áreas de terra estão aquecendo mais rápido

As temperaturas das terras aqueceram consideravelmente mais rápido do que as temperaturas médias globais ao longo do século passado, com temperaturas alcançando cerca de 1,7C acima dos níveis pré-industriais nos últimos anos. O registro de temperatura da terra também retrocede no tempo, embora o período anterior a 1850 esteja sujeito a incertezas muito maiores.

Bambos os forcings humanos e radiativos naturais podem ser equiparados à temperatura da terra usando o modelo estatístico. A magnitude dos forcings humanos e naturais irá diferir um pouco entre a temperatura da terra e a temperatura global. Por exemplo, erupções vulcânicas parecem ter uma influência maior na terra, já que as temperaturas da terra provavelmente responderão mais rapidamente a mudanças rápidas nos forcings.

A figura abaixo mostra a contribuição relativa de cada forçamento radiativo diferente para as temperaturas da terra desde 1750.

Temperaturas médias da superfície da Terra de Berkeley (pontos negros) e influência modelada de diferentes forcings radiativos (linhas coloridas), assim como a combinação de todos os forcings (linha cinza) para o período de 1750 a 2017. Gráfico por Carbon Brief usando Highcharts.

A combinação de todos os forcings geralmente combina bastante bem com as temperaturas observadas, com variabilidade a curto prazo em torno da linha cinza impulsionada principalmente pelos eventos El Niño e La Niña. Há uma variação mais ampla nas temperaturas anteriores a 1850, refletindo as incertezas muito maiores nos registros observacionais que remontam a muito tempo.

Há ainda um período por volta de 1930 e 1940 em que as observações excedem o que o modelo prevê, embora as diferenças sejam menos pronunciadas do que nas temperaturas globais e a divergência entre 1900 e 1920 está ausente nos registros de terra.

Erupções vulcânicas no final de 1700 e início de 1800 se destacam acentuadamente nos registros de terra. A erupção do Monte Tambora na Indonésia em 1815 pode ter resfriado a temperatura da terra em 1,5C, embora os registros na época fossem limitados a partes do Hemisfério Norte e, portanto, é difícil chegar a uma conclusão firme sobre os impactos globais. Em geral, os vulcões parecem arrefecer a temperatura da terra quase duas vezes mais do que a temperatura global.

O que pode acontecer no futuro?

Carbon Brief usou o mesmo modelo para projectar futuras mudanças de temperatura associadas a cada factor de forçamento. A figura abaixo mostra observações até 2017, juntamente com futuros forcings radiativos pós-2017 da RCP6.0, um cenário de médio a alto aquecimento futuro.

Temperaturas médias globais da superfície de Berkeley Earth (pontos negros) e influência modelada de diferentes forcings radiativos (linhas coloridas) para o período de 1850 a 2100. Forcings pós-2017 tirados da RCP6.0. Gráfico por Carbon Brief usando Highcharts.

Quando fornecido com os forçamentos radiativos para o cenário da RCP6.0, o modelo estatístico simples mostra um aquecimento de cerca de 3C até 2100, quase idêntico ao aquecimento médio que os modelos climáticos encontram.

Futuro forçamento radiativo de CO2 é esperado que continue a aumentar se as emissões aumentarem. Os aerossóis, por outro lado, estão projetados para atingir o pico dos níveis atuais e diminuir significativamente até 2100, impulsionados em grande parte por preocupações com a qualidade do ar. Esta redução nos aerossóis aumentará o aquecimento global, aproximando o aquecimento total de todas as forçadas radiativas do aquecimento apenas pelos gases de efeito estufa. Os cenários RCP não pressupõem erupções vulcânicas específicas no futuro, já que o timing destas é desconhecido, enquanto a produção solar continua seu ciclo de 11 anos.

Esta abordagem também pode ser aplicada à temperatura do solo, como mostrado na figura abaixo. Aqui, as temperaturas do terreno são mostradas entre 1750 e 2100, com forcings pós-2017 também da RCP6.0.

Temperaturas médias da superfície do terreno da Terra Berkeley (pontos pretos) e influência modelada de diferentes forcings radiativos (linhas coloridas) para o período de 1750 a 2100. Forcings pós-2017 tirados da RCP6.0. Gráfico por Carbon Brief usando Highcharts.

A terra deve aquecer cerca de 30% mais rápido do que o globo como um todo, já que a taxa de aquecimento sobre os oceanos é tamponada pela absorção de calor dos oceanos. Isto é visto nos resultados do modelo, onde a terra aquece cerca de 4C até 2100 em comparação com 3C globalmente no cenário RCP6.0.

Existe uma ampla gama de aquecimento futuro possível a partir de diferentes cenários RCP e valores diferentes para a sensibilidade do sistema climático, mas todos mostram um padrão similar de declínio das emissões futuras de aerossóis e um papel maior para a forçagem de gases de efeito estufa em temperaturas futuras.

O papel da variabilidade natural

Embora as forcings naturais dos solares e vulcões não pareçam desempenhar um grande papel no aquecimento a longo prazo, há também uma variabilidade natural associada aos ciclos oceânicos e variações na absorção de calor oceânico.

Como a grande maioria da energia aprisionada pelos gases de efeito estufa é absorvida pelos oceanos e não pela atmosfera, as mudanças na taxa de absorção de calor oceânico podem potencialmente ter grandes impactos na temperatura da superfície. Alguns pesquisadores têm argumentado que os ciclos multidecadal, como a Oscilação Multidecadal do Atlântico (AMO) e a Oscilação Decadal do Pacífico (DOP), podem desempenhar um papel no aquecimento à escala decadal.

Embora os fatores humanos expliquem todo o aquecimento a longo prazo, há alguns períodos específicos que parecem ter aquecido ou resfriado mais rapidamente do que se pode explicar com base nas nossas melhores estimativas de forçamento radiativo. Por exemplo, o modesto descasamento entre a estimativa baseada no forçamento radiativo e as observações durante a metade do século XIX pode ser uma evidência do papel da variabilidade natural durante esse período.

Um número de pesquisadores examinou o potencial da variabilidade natural para impactar as tendências de aquecimento a longo prazo. Eles descobriram que geralmente desempenha um papel limitado. Por exemplo, o Dr Markus Huber e o Dr Reto Knutti do Institute for Atmospheric and Climate Science (IAC) em Zurique encontraram uma contribuição máxima possível da variabilidade natural de cerca de 26% (+/- 12%) nos últimos 100 anos e 18% (+/- 9%) nos últimos 50 anos.

Knutti diz Carbon Brief:

“Nunca podemos excluir completamente que a variabilidade natural seja maior do que pensamos actualmente. Mas esse é um argumento fraco: você nunca pode, é claro, descartar o desconhecido. A questão é se existe forte, ou mesmo qualquer evidência para isso. E a resposta é não, na minha opinião.

Modelos obtêm a variabilidade de temperatura a curto prazo aproximadamente certa. Em muitos casos, eles até têm demasiadas. E, a longo prazo, não podemos ter certeza, porque as observações são limitadas. Mas a resposta forçada praticamente explica as observações, por isso não há evidências do século XX que nos falte algo…

Aven, se se encontrarem modelos que subestimam a variabilidade interna por um factor de três, é extremamente improvável que a variabilidade interna possa produzir uma tendência tão grande como a observada.”

Similiarmente, o Dr. Martin Stolpe e colegas, também da IAC, analisaram recentemente o papel da variabilidade natural multidecadal tanto no Oceano Atlântico como no Pacífico. Eles descobriram que “menos de 10% do aquecimento global observado durante a segunda metade do século XX é causado pela variabilidade interna nestas duas bacias oceânicas, reforçando a atribuição da maior parte do aquecimento observado aos forcings antropogénicos”.

A variabilidade interna deverá ter um papel muito maior nas temperaturas regionais. Por exemplo, na produção de períodos anormalmente quentes no Ártico e nos EUA na década de 1930. Entretanto, seu papel em influenciar as mudanças de longo prazo nas temperaturas superficiais globais parece ser limitado.

Conclusão

Embora existam fatores naturais que afetam o clima da Terra, a influência combinada dos vulcões e mudanças na atividade solar teria resultado no resfriamento ao invés do aquecimento nos últimos 50 anos.

O aquecimento global testemunhado nos últimos 150 anos corresponde quase perfeitamente ao que se espera das emissões de gases de efeito estufa e outras atividades humanas, tanto no modelo simples aqui examinado como nos modelos climáticos mais complexos. A melhor estimativa da contribuição humana para o aquecimento moderno é cerca de 100%.

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A incerteza permanece devido ao papel da variabilidade natural, mas os pesquisadores sugerem que as flutuações oceânicas e fatores similares provavelmente não serão a causa de mais de uma pequena fração do aquecimento global moderno.

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Metodologia

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O modelo estatístico simples usado neste artigo é adaptado do Índice de Aquecimento Global publicado por Haustein et al (2017). Por sua vez, é baseado no modelo de Otto et al (2015).

O modelo estima contribuições para as mudanças climáticas observadas e remove o impacto das flutuações naturais ano a ano por uma regressão linear múltipla das temperaturas observadas e respostas estimadas para o total de fatores de mudança climática induzidos pelo homem e total de fatores naturais. As respostas forçadas são fornecidas pelo modelo climático simples padrão dado no Capítulo 8 do IPCC (2013), mas o tamanho destas respostas é estimado pelo ajuste às observações. Os forçamentos são baseados nos valores do IPCC (2013) e foram atualizados até 2017 usando dados da NOAA e ECLIPSE. 200 variações destes forcings foram fornecidas pelo Dr. Piers Forster da Universidade de Leeds, refletindo a incerteza nas estimativas forçadas. Uma planilha do Excel contendo seu modelo também é fornecida.

O modelo foi adaptado através do cálculo das respostas forçadas para cada um dos diferentes forçamentos climáticos principais em vez de simplesmente forçamentos humanos e naturais totais, usando o registro de Berkeley Earth para observações. O tempo de decaimento da resposta térmica usado na conversão de forçamentos em respostas forçadas foi ajustado para ser de um ano ao invés de quatro anos para forçamentos vulcânicos para refletir melhor o rápido tempo de resposta presente nas observações. Os efeitos dos eventos El Niño e La Niña (ENSO) foram removidos das observações usando uma abordagem adaptada de Foster e Rahmstorf (2011) e o índice Kaplan El Niño 3.4 ao calcular a resposta de temperatura vulcânica, já que a sobreposição entre vulcões e ENSO complica as estimativas empíricas.

A resposta de temperatura para cada forçamento individual foi calculada escalando suas respostas de forçamento pelo total dos coeficientes humanos ou naturais do modelo de regressão. O modelo de regressão também foi executado separadamente para as temperaturas da terra. As respostas de temperatura para cada forçamento entre 2018 e 2100 foram estimadas usando dados de forçamento do RCP6.0, normalizados para corresponder à magnitude dos forçamentos observados no fim de 2017.

As incertezas na resposta de temperatura total humana e total natural foram estimadas usando uma análise de Monte Carlo de 200 séries de forçamento diferentes, bem como as incertezas nos coeficientes de regressão estimados. O código Python usado para executar o modelo está arquivado com GitHub e disponível para download.

Os dados Observational de 2017 mostrados nos números são baseados na média dos primeiros 10 meses do ano e é provável que seja bastante similar ao valor final anual.