O sistema climático da Terra inclui trocas de massa e de energia entre a atmosfera, hidrosfera, criosfera, biosfera e litosfera, sendo afetado por processos de física de plasmas, termodinâmicos, de dinâmica de fluidos, eletromagnéticos, químicos e reológicos.
A temperatura da atmosfera é um dos principais parâmetros determinantes do sistema climático global. Na última Idade do Gelo, a variação da quantidade e da distribuição da energia solar recebida pela Terra resultou na redução de 6 ºC da temperatura média planetária.
A consequência desta redução foi que grande parte do hemisfério norte (Alasca, Canadá e Sibéria) ficou coberto por uma camada de gelo da ordem de 1,5 km de espessura.
Da mesma forma que uma febre no ser humano, um pequeno aumento da temperatura média global pode significar uma mudança climática drástica, como sair de um período glacial e passar para um clima de estufa, com crocodilos e palmeiras acima do círculo Ártico (o que já aconteceu no passado).
Na década de 1990, cientistas demonstraram que o aumento global das temperaturas médias no século XX não poderia ser explicado sem levar em conta a contribuição antropogênica das emissões dos gases de efeito estufa.
Os efeitos do aquecimento global resultam na disrupção das cadeias produtivas das nações e em perdas consideráveis de vidas humanas. Em terra aumentam os eventos de inundações, incêndios, secas, ondas de calor e furacões, aquecimento das águas dos rios e lagos, encolhimento das geleiras e derretimento do permafrost (solos permanentemente congelados).
Nos ecossistemas biológicos, as florações são antecipadas, as aves têm os ciclos migratórios alterados, e os animais e plantas migram para latitudes e elevações mais altas.
No oceano, o aquecimento e a acidificação das águas resultam no branqueamento e morte dos recifes de corais, afeta a base das cadeias alimentares dos peixes e, por extensão, as comunidades de peixes e plâncton, que vão mudar de espécies adaptadas a águas mais frias para outras adaptadas a águas mais quentes.
A elevação do nível do mar, da ordem de metros, ameaça as nações insulares baixas e todas as cidades costeiras do planeta [Fingerprints Everywere, 2018].
O Início do processo
A partir do meio do século IXX, a derrubada das matas para a liberação de terras para o plantio e pastagens, para a ocupação urbana, para a produção de madeira para a construção e para a produção de energia pela queima, deu origem a um lento processo de concentração de dióxido de carbono a partir das 280 ppm.
No meio do século XX, a taxa de crescimento desta concentração, já no patamar de 310 ppm, deixa de ter um crecimento linear e adquire tendência exponencial, atingindo 415 ppm em março de 2019, o mais alto índice nos 61 anos de monitoramento contínuo no Observatório de Mauna Loa, no Havaí [NOAA, Trends in Atmospheric Carbon Dioxide, 2019].
A última vez que o dióxido de carbono atingiu este nível na atmosfera da Terra foi na Época do Plioceno, entre 2,6 e 5,3 milhões de anos atrás. A Terra de então era bastante diferente, com o nível do mar 15 metros mais alto, temperaturas do Ártico no verão 14 ºC mais altas, fauna dominada por mamíferos gigantes, enquanto humanos e chimpanzés ainda conviviam com o seu último ancestral comum.
Neste processo, matéria orgânica que demorou tempos geológicos, da ordem de milhões de anos, para ser depositada profundamente abaixo da superfície do planeta, está sendo liberada na atmosfera em um período da ordem de duas ou três gerações humanas.
O oceano está absorvendo parte deste excesso de carbono da atmosfera, e em consequência está se acidificando, o que está resultando em danos catastróficos a ecossistemas extremamente sensíveis, como é o caso do branqueamento e morte dos corais.
Efeito dos gases estufa
Os cinco gases primários de efeito estufa são o dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), monóxido de carbono (CO) e ozônio (O3), dos quais o dióxido de carbono é o mais importante, devido ao seu volume total e à taxa de aumento da sua concentração na atmosfera.
Estes cinco gases são responsáveis por 96% do aumento da capacidade da atmosfera de reter calor. O CO2 e o CH4 apresentaram nos últimos 100 anos expressivos aumentos de concentração na atmosfera, de cerca de 34% para o CO2 e de quase 100% para o CH4.
Os gases de efeito estufa absorvem a radiação infravermelha refletida pela superfície do planeta e reirradiam esta radiação, que está fora do espectro visível aos olhos humanos.
Se não fosse pela contribuição dos gases de efeito estufa, a temperatura média da superfície da Terra seria de cerca de 15 graus negativos, ao invés dos 15 °C que hoje apresenta.
Além dos processos naturais, com destaque para as emissões de origem vulcânica, o carbono é liberado para a atmosfera por diversos processos antropogênicos – queima de biomassa, escapamentos de veículos, chaminés das fábricas, queima de combustíveis fósseis, decomposição de matéria orgânica etc.
O CO é expelido nos escapamentos dos veículos com motores à combustão, sendo também um importante indicador de poluição atmosférica. O CO2 é produzido pela queima de combustíveis fósseis e em inúmeros processos industriais.Usinas térmicas queimam toneladas de carvão e de óleo combustível para a geração de energia elétrica.
A criação de gado para a produção de carne e leite tem como subproduto o gás CH4, produzido pela digestão da celulose. Os depósitos de lixo e de resíduos são grandes produtores de CH4, CO2 e outros poluentes (além de ozônio e odores), sendo responsáveis por 17% da produção antropogênica de CH4.
O CH4 é um poderoso gás com efeito de estufa, responsável por cerca de 30% do aquecimento climático desde a revolução industrial. Apesar de durar menos tempo na atmosfera (acaba decaindo para o CO2 e água), é muito mais eficiente do que o CO como gás de efeito estufa – mais de 80 vezes nos primeiros 20 anos após a sua liberação.
Em todo o mundo, os cientistas estão encontrando reservatórios de CO2 e CH4 congelados, na tundra ártica e no fundo do mar. À medida que a superfície da terra e as águas dos oceanos aquecem, esses depósitos gelados estão derretendo e liberando os gases neles aprisionados por milhares ou milhões de anos.
O crescimento das cidades demanda absurdos volumes de concreto – nos próximos 30 anos, a urbanização e a migração do campo para as cidades devem duplicar o número de edifícios.
O ingrediente tradicional do concreto, o cimento Portland, é formado pela decomposição do calcário em óxido de cálcio, um processo que exige muito carbono. A farinha de cimento é uma mistura da rocha calcária (carbonato de cálcio), com menores proporções de argila, areia e minério de ferro.
A queima da farinha de cimento em fornos, a temperaturas superiores a 1450 ºC, envolve um processo chamado de descarbonatação. Dos fornos saem pelotas conhecidas como clínquer, que, depois de moídas, dão origem ao cimento.
O calor promove o fracionamento do carbonato de cálcio (CaCO3 à CaO + CO2), que tem como subproduto a liberação de dióxido de carbono (CO2), além de gases de enxofre. Além da produção de CO2 pelo processo, tem também a queima de combustíveis, fósseis ou não, que alimentam a fornalha e emitem a sua cota de poluentes e de gases de efeito estufa.
Verifica-se, portanto, que o cimento não é um material amigo do clima – cada tonelada de cimento produzida libera cerca de uma tonelada de CO2. A produção de cimento é responsável por 8% das emissões globais de CO2 (mais do que todas as emissões de CO2 da Índia).
Estimativas indicam que a atividade humana expele anualmente cerca de 10 Gigatons de CO2 na atmosfera, de 40 a 100 vezes mais CO2 do que toda a atividade vulcânica do planeta no mesmo período [Cartier, 2019]. O efeito estufa resultante do excesso de carbono na atmosfera está elevando gradativamente a temperatura média do planeta e alterando os padrões climáticos em todas as regiões.
A resposta do clima à duplicação da concentração de CO2 é conhecida como sensibilidade climática de equilíbrio, prevendo um aumento da temperatura ao longo deste século, que vai de significativo (2 ºC) a catastrófico (4,5 ºC).
Os cientistas estimam que a Terra pode absorver cerca de 2 bilhões de toneladas por ano de CO2, além do que é naturalmente emitido e absorvido, porém, atualmente descarregamos cerca de 10 bilhões de toneladas por ano de CO2 na atmosfera.
Nuvens x aquecimento global
Os gases de efeito estufa, as nuvens e os aerossóis são distribuídos de forma não uniforme pelo planeta, o que faz com que os seus efeitos se manifestam de forma regional. As interações entre os diferentes tipos de aerossóis com as nuvens interferem na formação das chuvas e, em consequência, no ciclo hidrológico.
As nuvens cobrem normalmente cerca de dois terços do planeta. As nuvens estratocúmulo cobrem 25% dos oceanos de baixa latitude e são especialmente prevalentes nos subtrópicos e importantes no efeito de resfriamento do planeta.
Estas nuvens sombreiam grandes porções da superfície do oceano e refletem de 30% a 70% da radiação solar incidente, que de outra maneira seria absorvida pelas escuras águas do mar. Estratocumulos são nuvens complexas, com intensa e turbulenta circulação de ar.
As interações das nuvens com os inúmeros fatores que interferem na sua formação são extremamente complexas, envolvendo diversos processos de escala micro, porém com efeitos diretos e indiretos em escala macro.
Como as escalas dinâmicas dos processos internos das nuvens são muito pequenas para serem resolvidas em modelos climáticos globais, as previsões de sua resposta ao aquecimento global permanecem incertas.
Simulações computadorizadas sugerem que à medida que a Terra esquenta, as nuvens se tornam mais escassas. Levantamentos de dados de satélites da NASA já estabeleceram uma correlação entre anos mais quentes e menor cobertura global de nuvens.
A atmosfera mais quente promove um resfriamento menos eficiente do ar úmido que sobe, prejudica a condensação do vapor de água contido no ar e altera os processos de circulação internos de ar das nuvens, resultando na sua fragmentação e dissipação.
Cabe observar que com menos nuvens e atmosfera mais quente, aumenta o volume de vapor d´água retido na atmosfera, gás este que também tem efeito estufa, contribuindo positivamente para o aumento da temperatura global.
Com menos superfícies brancas refletindo a luz solar de volta ao espaço, a Terra fica ainda mais quente, levando a uma maior perda de nuvens. Esse feedback positivo exacerba o efeito de aquecimento provocado pelo efeito estufa na atmosfera.
Para agravar o problema, simulações revelam que o retorno das nuvens somente ocorre quando as concentrações de CO2 caem substancialmente abaixo do nível que resultou na instabilidade da formação das nuvens.
Mudanças abruptas do clima no passado geológico da Terra podem ter sido agravadas pelo feedback positivo da diminuição das nuvens associada aos eventos de aquecimento global decorrentes do aumento da concentração de gases de efeito estufa na atmosfera. Este fenômeno pode se repetir para o momento atual do nosso planeta, se os níveis de CO2 continuarem a subir.
A contribuição das nuvens para o aquecimento global é de difícil avaliação, não somente devido aos processos acima analisados, mas também em virtude das diferenças entre os diversos tipos de nuvens existentes.
Nuvens altas, em camadas frias da troposfera e cheias de cristais de gelo, tendem a reter o calor que ascende da terra, irradiando-o de volta e contribuindo para aumentar a temperatura do planeta.
Nuvens baixas, espessas e saturadas de água, são mais opacas e tendem a irradiar o calor do Sol de volta para o espaço, contribuindo para resfriar o planeta.
Acredita-se que o efeito de resfriamento das nuvens baixas é maior do que o efeito estufa das nuvens altas, porém, a complexidade dos processos envolvidos na formação das nuvens dificulta a construção de modelos globais e a identificação da sua contribuição líquida no processo de aquecimento global.
Os modelos climáticos identificam a participação das nuvens em processos de realimentação do aquecimento global, que podem ser positivos ou negativos:
- muito calor aumenta a evaporação, que produz mais nuvens – nuvens baixas bloqueiam a luz do Sol e arrefecem a Terra, nuvens altas retêm o calor ascendente, aquecendo o planeta – feedback negativo;
- limite mais elevado entre a troposfera e a estratosfera, levando junto as nuvens altas, que tem a sua capacidade de resfriar o planeta reduzida – feedback positivo;
- as nuvens mais altas vão se deslocar para as latitudes mais altas, onde bloquearão menos luz solar do que quando estavam mais próximas do equador – feedback positivo;
- as nuvens altas tendem a ficar mais quentes, o que faz com que derreta parte do gelo existente nas mesmas, tornando-as mais opacas e refletoras da energia do Sol – feedback negativo;
- diminuição da quantidade de nuvens baixas, que têm uma importante contribuição na redução da temperatura do planeta – feedback positivo;
- expansão da faixa dos trópicos diminui a diferença de temperatura entre os trópicos e os polos, empurrando as nuvens para latitudes mais elevadas, onde é menor a incidência dos raios solares e, portanto, menor o efeito de arrefecimento do planeta – feedback positivo.
Aquecimento global e eficiência energética
A nossa sociedade depende da exploração mineral, que além dos combustíveis fósseis, demanda gigantescos columes de ferro, alumínio e cobre. A infraestrutura energética de alta tecnologia exige metais e minerais de toda a tabela periódica.
As baterias de íons de lítio usadas em EVs e armazenamento de energia requerem não apenas lítio, mas freqüentemente cobalto, manganês e níquel. Motores e geradores elétricos dependem de terras raras.
Painéis solares englobam uma parte significativa da oferta mundial de telúrio e gálio, juntamente com uma fração considerável de prata e índio extraídos.
O apetite por esses metais só cresce à medida que essas tecnologias proliferam. Embora esse fato básico seja conhecido há anos, o novo relatório leva as coisas um passo adiante, elaborando a demanda projetada de 14 metais críticos, se a humanidade limitar o aquecimento global à meta do Acordo de Paris de 1,5 graus Celsius, mudando para 100%. energia renovável em meados do século.
Em um cenário que os autores descrevem como “muito ambicioso”, o mix energético de 2050 é principalmente movido a energia solar e eólica, com frações menores de energia provenientes de energia geotérmica, energia hidrelétrica e outras tecnologias.
O setor de transporte também é 100% renovável, com mais da metade de todos os carros, ônibus e veículos comerciais sendo híbridos elétricos ou plug-in movidos à bateria.
Fala-se muito das energias renováveis como se fossem ambientalmente mais adequadas. A energia hidroelétrica, a mais tradicional das energias renováveis e execrada pelos ambientalistas, por ser responsável pela inundação de terras, depende basicamente de cimento, ferro e cobre, materiais básicos da construção civil.
As tecnologias de geração de energia renovável eólica e solar são consideradas como tendo uma pegada ambiental mais amigável do que a hidroelétrica; porém estas avaliações não consideram a cadeia completa de produção deste tipo de plantas de geração de energia.
Estas tecnologias, assim como os carros elétricos, dependem da chamada eletrônica de potência, cujos equipamentos (inversores, retificadores, baterias etc.) utilizam metais nobres e terras raras, cuja mineração envolve a movimentação e processamento de imensos volumes de terra, pois são minerais que apresentam baixa concentração nos depósitos.
A separação destes minerais do imenso volume de terra exige processos químicos que dão origem a imensas bacias de resíduos contaminantes. Há que se considerar, ainda, que estes equipamentos têm vida útil de poucas dezenas de anos, após os quais são descartados e transformam-se em um lixo eletrônico cujo descarte já é um problema atual.
A geração de energia por fusão nuclear, o mesmo processo que produz energia no núcleo do Solo, pode a ser a fonte energética do futuro, produzindo energia limpa e barata. Para tal é necessário confinar o combustível nuclear, na forma de um plasma, sob elevadas pressões e temperaturas, por meio de intensos campos magnéticos.
Porém, muitos avanços tecnológicos são ainda necessários para que se consiga produzir um reator a fusão nuclear economicamente viável.
Os modelos climáticos podem estar subestimando a gravidade dos acontecimentos no futuro, devido ao envelhecimento da infraestrutura antropogênica, que foi dimensionada para condições não tão críticas.
Um exemplo são as milhares de barragens (tanto de usinas hidroelétricas como de rejeitos de mineração), que estão em más condições e que foram concebidas com base em estimativas de chuvas extremas que agora estão superadas pelas alterações climáticas.
IPCC (Intergovernamental Panel on Climate Change)
Os cinco cenários traçados pelo IPCC apontam que, na melhor das hipóteses, o aumento médio da temperatura global será de 1,5 ºC até 2040. Muitos cientistas já dizem que devido à falta de compromisso dos países com o controle das emissões de CO², o aumento vai ser superior.
As pessoas pensam que 1,5 ºC é pouca coisa, que não é tão crítico assim. Mas na verdade elas têm que imaginar a energia necessária para aquecer a atmosfera do planeta inteiro em 1,5 ºC.
Calor é uma forma de energia – é muita energia adicionada à atmosfera. Para complicar, é distribuída de forma desigual, com uma concentração maior no hemisfério norte (onde a cobertura de terras continentais é maior), o que significa que tem lugares com uma elevação de temperatura média de 6 ºC.
De acordo com o relatório anual do IPCC (2019), 23% de todas as emissões de gases de efeito estufa são causadas pelo desmatamento, agricultura e produção de alimentos (como criação de gado).
Existe um consenso entre os cientistas que é necessário reduzir em 50% as emissões de gases de efeito estufa até 2030 para limitar o aquecimento global a 2 oC. A meta seguinte deve ser de zero emissão de gases de efeito estufa até 2050.
O aquecimento global antropogênico se deterá se as emissões de combustíveis fósseis puderem ser reduzidas para 2 bilhões de toneladas anuais através da expansão da geração de fontes de energia renovável (eólica, solar e geotérmica), acompanhadas de mudanças no setor agrícola e com o uso da tecnologia de captura de carbono.
A geração por meio da energia hidroelétrica, que também é renovável, é limitada pelo fato que os principais aproveitamentos hidroelétricos nos grandes rios já foram implementados, restando apenas pequenos aproveitamentos, que podem ser importantes localmente, porém não tem peso na equação global de geração de energia.
Considerando que é inevitável a elevação da temperatura média global em pelo menos 1,5 ºC até 2040, é necessário estarmos preparados para os eventos climáticos extremos. Estudos que comparam o histórico de eventos com as projeções dos modelos climáticos, preveem um aumento de cerca de 50% na frequência dos eventos extremos.
Olhando para o setor elétrico, há que se rever os critérios de projeto, de operação e de manutenção dos ativos (plantas de geração, linhas de transmissão e de distribuição), pois as práticas tradicionais não estão mais dando conta dos rigores climáticos.
Artigo publicado na 24ª edição da Revista Canal Solar.
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