Modelos climáticos globais mostram como o permafrost do Ártico responderá ao aquecimento global
O Árctico está a aquecer de forma particularmente rápida em resultado do aquecimento global – com consequências graves. O permafrost generalizado nesta região, onde os solos armazenam actualmente o dobro de carbono que a atmosfera, está a descongelar. Os cientistas estão a utilizar modelos climáticos cada vez mais detalhados para investigar o que isto significa para o clima global e quais os feedbacks surpreendentes que devem ser tidos em conta.
Em 1827, o comerciante russo Fyodor Shergin tentou cavar um poço no quintal de sua casa em Yakutsk, na Sibéria. Mas em vez de água líquida, tudo o que encontrou foi solo congelado. Shergin desistiu a 15 metros de profundidade. Algum tempo depois, os cientistas se interessaram e persuadiram Shergin a continuar cavando. Depois de dez anos, a mina atingiu a profundidade atual de 116 metros, e Yakutsk tornou-se conhecida como o berço da ciência do permafrost.
O solo permanentemente congelado, ou permafrost, é uma relíquia das últimas eras glaciais. A temperatura destes solos está abaixo do ponto de congelamento durante pelo menos dois anos consecutivos – independentemente de serem constituídos por turfa, rocha de granulação grossa ou fina, ou de conterem ou não gelo. A maior parte do permafrost é encontrada no hemisfério norte, onde cobre cerca de um quarto da superfície terrestre, principalmente ao norte do Círculo Polar Ártico. Na Escandinávia, atinge uma profundidade de 20 metros, até várias centenas de metros no Alasca e até 1.500 metros na Sibéria – explicando muito bem por que Shergin teve tanta dificuldade em encontrar água líquida em seu quintal.
Na superfície do permafrost encontra-se a chamada camada ativa, que descongela no verão e permite o crescimento das plantas: pastagens, florestas ou zonas húmidas com lagoas e lagos. Em algumas áreas, a paisagem assemelha-se a um mosaico, como se inúmeros polígonos tivessem sido cuidadosamente construídos. Esta estrutura é criada nas profundezas durante o inverno frio do Ártico, quando o solo congelado se contrai e racha. Essas rachaduras se enchem de água derretida durante a primavera, que então congela para formar cunhas de gelo, criando um padrão geométrico fascinante na superfície.
Das eras glaciais ao aquecimento global
Estas paisagens estão a mudar: as medições mostram que, nas últimas décadas, o Árctico aqueceu significativamente mais rapidamente do que a Terra, em média. Como resultado, o permafrost está começando a derreter em camadas mais profundas. As consequências incluem subsidência e erosão. Muitos lagos estão desaparecendo porque a água agora pode escoar, enquanto novos lagos se formam nas depressões deixadas pelo afundamento do solo, e outros se fundem para formar lagos porque falta o gelo limitante. A paisagem atravessada por corpos d'água e permafrost flácido é conhecida entre os especialistas como Thermokarst – a primeira parte da palavra descreve a causa, a segunda a aparência irregular dessas estruturas.
O degelo do permafrost não só muda a face do Ártico, mas também tem um impacto no clima da Terra. Isto ocorre porque o permafrost armazena enormes quantidades de carbono – os solos na região do permafrost retêm cerca de duas vezes mais que a atmosfera. Fixa-se na forma de plantas mortas, cuja decomposição é evitada pelas baixas temperaturas e baixo teor de oxigênio. Quando o permafrost descongela, os microorganismos começam a decompor o material. Isso produz gases de efeito estufa: dióxido de carbono (CO2) ou metano, que tem cerca de 28 vezes o efeito de aquecimento do CO2 num horizonte temporal de 100 anos. Esses gases também escapam das lagoas e lagos, onde também se decompõe muito carbono.
Os investigadores do clima estão, portanto, a tentar compreender como o Ártico reagirá ao aumento das temperaturas: libertará os seus grandes depósitos de carbono na atmosfera e, em caso afirmativo, quando e de que forma? No Instituto Max Planck de Meteorologia (MPI-M), pesquisadores estão investigando os processos no Ártico. Victor Brovkin, que nasceu e foi criado em Yakutsk, não muito longe da mina de Shergin, lidera o grupo de trabalho -Interações Clima-Biosfera no MPI-M e é co-presidente do grupo de trabalho -Dinâmica do Carbono no Ártico do Cluster de Excelência Clima, Mudanças Climáticas e Sociedade (CLICCS) na Universidade de Hamburgo.
Mais seco ou mais úmido: ambos têm consequências
Até recentemente, os investigadores preocupavam-se com a questão de saber se o carbono armazenado no solo escaparia sob a forma de CO.2 ou na forma de metano, que tem um potencial de aquecimento ainda maior. A resposta depende, entre outras coisas, de o Ártico se tornar mais húmido ou mais seco no futuro. Isso ocorre porque em solos secos, os microrganismos decompõem o material vegetal com a ajuda do oxigênio, produzindo CO2 no processo. Por outro lado, em solos alagados, o oxigênio é raro ou ausente, de modo que o metano é produzido quando o material orgânico se decompõe.
No entanto, ainda não está claro se o Ártico está a tornar-se mais seco ou mais húmido. Simulações com modelos do sistema terrestre (ESMs) mostram um aumento da precipitação nesta região no futuro – o que pode levar a condições mais húmidas à superfície e ajudar a manter a elevada densidade de massas de água superficiais e áreas com solos alagados. No entanto, também existem argumentos a favor de uma futura secagem das paisagens do permafrost. De acordo com isto, o degelo do permafrost baixaria o lençol freático e permitiria que a água escoasse mais facilmente, fazendo com que o solo secasse a longo prazo.
O pesquisador do MPI-M, Philipp de Vrese, e seus colegas usaram o modelo climático acoplado MPI-ESM para mostrar o que isso poderia significar para as emissões de metano no Ártico. De acordo com as suas descobertas, num Ártico mais húmido e com uma extensa cobertura de zonas húmidas, seria efetivamente emitido mais metano em alguns locais – mas não em todo o lado. Isto ocorre porque a evaporação da água dos solos úmidos esfria a superfície terrestre, o que inibe a produtividade das plantas e a produção de metano. Por outro lado, menos umidade do solo resulta em menos nuvens. Como consequência, mais radiação solar atinge a superfície terrestre, amplificando o aquecimento local. O crescimento das plantas é estimulado e mais substrato fica disponível para os microrganismos, aumentando a produção de metano. Os cientistas do CLICCS demonstraram recentemente que esta é também a razão para o aumento das emissões de metano dos lagos. Portanto, a lógica simples de que os fluxos de metano aumentam num Ártico húmido e diminuem num Ártico seco não é necessariamente correta.
Compreendendo os efeitos globais
O que tudo isto significa para o clima global só pode ser compreendido se, além do ciclo do carbono, forem tidas em conta as interacções directas com a atmosfera: se a cobertura de nuvens sobre o Árctico realmente diminuísse e se as altas latitudes aquecessem , o gradiente de temperatura entre os trópicos e o Ártico diminuiria. De acordo com as simulações, isto poderia afectar os padrões de precipitação perto do equador, daí as emissões de metano das zonas húmidas tropicais. Estas já são a maior fonte natural de metano atualmente e poderão libertar ainda mais metano na atmosfera no futuro. “É verdadeiramente surpreendente que um processo espacialmente limitado tenha consequências tão abrangentes”, diz Philipp de Vrese.
Os cientistas devem aos seus modelos que estas consequências tenham sido descobertas. “A modelagem do sistema terrestre fornece respostas a questões globais. Ela nos permite comparar diferentes cenários e fazer projeções para o futuro”, diz o líder do grupo, Victor Brovkin. A modelagem também revelou a evolução futura da erosão do permafrost costeiro, como mostra o trabalho realizado no grupo de trabalho MPI-M -Ocean Biogeochemistry: Na costa do Ártico, as ondas e o aumento das temperaturas estão removendo material do degelo do permafrost – atualmente cerca de meio metro de retração da costa por ano, que deverá duplicar ou triplicar até ao final do século, segundo os cálculos. Isto não só ameaça as comunidades costeiras, mas também tem um impacto adicional no ciclo do carbono oceânico: o carbono contido no material erodido acaba no oceano, onde é decomposto. Como resultado, o CO2 o conteúdo na superfície do oceano aumenta, o que retarda a absorção oceânica de CO2 da atmosfera. “O Oceano Ártico absorve quantidades relativamente grandes de CO2 em comparação com seu tamanho”, diz o pesquisador climático do CLICCS, David Nielsen. “Mas os modelos do sistema terrestre ainda não foram capazes de simular corretamente esse sumidouro de carbono.” Se o impacto da erosão do permafrost costeiro for considerado, o interior do Oceano Ártico poderia absorver entre nove e 19 por cento menos CO2. O CO crescente2 O conteúdo da água do mar devido à erosão também torna o oceano mais ácido, ameaçando a saúde dos ecossistemas marinhos.
Desafios para modelagem
Se, quando e de que forma o Ártico irá libertar os seus grandes depósitos de carbono na atmosfera, e que efeitos isso terá, são, portanto, questões complexas que só podem ser compreendidas com modelos do sistema Terra. Mas: “Existe atualmente uma lacuna entre a escala espacial em que ocorrem os processos relevantes e a resolução dos modelos do sistema Terra”, diz Victor Brovkin. Isso ocorre porque nos modelos a grade colocada sobre a superfície da Terra, portanto, as variáveis simuladas, como temperatura, precipitação ou fluxos de carbono, estão na escala de um quilômetro a 100 km. No entanto, muitas características relevantes da paisagem são heterogéneas em escalas muito mais finas, por vezes metros.
A fim de dar conta da rica diversidade dos ambientes do Ártico, o MPI-M uniu forças com o Instituto Max Planck de Biogeoquímica em Jena e a empresa austríaca b.geos no projeto -Q-Arctic financiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa. A equipe coleta dados observacionais em locais e por satélites para identificar propriedades relevantes da paisagem. Ao mesmo tempo, estão a trabalhar em formas de utilizar esta informação no modelo do sistema ICON Earth: As características da paisagem podem ser definidas dentro de cada elemento da grelha, com base na topografia, propriedades do solo e distribuição da vegetação. Isto, por exemplo, permite ao modelo determinar qual a percentagem de uma célula da grelha que está coberta por zonas húmidas no clima simulado. Os primeiros resultados obtidos com esta abordagem são promissores: a representação de corpos d'água superficiais de pequena escala e solos alagados na célula da grade já melhora os resultados da modelagem.
Mas, tal como Shergin fez uma vez, os cientistas ainda procuram ir mais fundo. A abordagem de tratamento da heterogeneidade à escala da sub-rede está actualmente limitada aos processos físicos na superfície terrestre e abaixo dela. O próximo passo é representar os processos biogeoquímicos e biofísicos no mesmo nível de detalhe. Até agora, grande parte da investigação sobre a região do permafrost centrou-se nas emissões de carbono provenientes do degelo dos solos. Com a sua investigação, os grupos de Brovkin pretendem alargar este foco e, assim, aprofundar a sua compreensão de como os feedbacks biogeoquímicos e biogeofísicos em paisagens de permafrost funcionam em conjunto para influenciar o clima da Terra.
de Vrese, P., Beckebanze, L., Galera, L., Hall, D., Kleinen, T., Kutzbach, L., Rehder, Z. & Brovkin, V.
Sensibilidade do Ártico CH4 emissões para a umidade da paisagem diminuídas por feedbacks atmosféricos.
Nielsen, D., Chegini, F., März, J., Brune, S., Mathis, M., Dobrynin, M., Baehr, J., Brovkin, V. & Ilyina, T.
Nielsen, D., Pieper, P., Barkhordarian, A., Overduin, P., Ilyina, T., Brovkin, V., Baehr, J. & Dobrynin, M.
