Carbono Negro – Nova descoberta da lei de absorção de luz ajuda cientistas do clima a construir melhores modelos

Fuligem é expelida de motores a diesel, ascende de fornalhas queimando estrume e madeira e é lançada de chaminés das refinarias de petróleo. De acordo com pesquisa recente, a poluição do ar, incluindo a fuligem, está ligada à doenças cardíacas, alguns tipos de câncer e, nos Estados Unidos, a nada mais nada menos que 150 mil casos de diabetes todo ano.

Além de seu impacto na saúde, a fuligem, conhecida como carbono negro pelos cientistas atmosféricos, é uma poderosa agente do aquecimento global. Ela absorve a luz solar e aprisiona calor na atmosfera em uma magnitude que fica atrás somente do conhecido dióxido de carbono. Comentários recentes na revista Proceedings of the National Academy of Sciences chamaram a falta de consenso na magnitude da absorção de luz da fuligem de “um dos grandes desafios das ciências atmosféricas.”

Rajan Chakrabarty, professor assistente na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Washington em St. Louis, e William R. Heinson, da Fundação Nacional da Ciência e colega de pós-doutorado no laboratório de Rajan, aceitaram o desafio e descobriram algo novo sobre a fuligem, ou antes, uma nova lei que descreve sua habilidade de absorver luz: a lei de absorção da luz. Com ela, os cientistas poderão entender melhor o papel da fuligem na mudança climática.

A pesquisa foi selecionada como uma “Sugestão dos Editores”, publicada online no dia 19 de novembro na prestigiada revista Physical Review Letters.

Por causa de sua habilidade de absorver luz solar e diretamente aquecer o ar circunvizinho, os cientistas do clima incorporam a fuligem em seus modelos – sistemas computacionais que tentam replicar condições reais – e então predizem futuras tendências de aquecimento. Os cientistas usam observações concretas para programar seus modelos.

Mas não há um consenso sobre como incorporar a absorção de luz da fuligem em tais modelos. Eles a tratam de forma simplista demais, utilizando uma esfera para representar um aerossol puro de carbono negro.

“Mas a natureza é curiosa e tem seus próprios meios de tornar as coisas mais complexas,” disse Rajan. “Pela massa, 80% de todo o carbono negro é sempre misto. Não é perfeito, como os modelos o apresentam.

As partículas estão misturadas, ou revestidas, com aerossóis orgânicos que são, com a fuligem, emitidos de um sistema de combustão. No fim das contas, o carbono negro absorve mais luz quando está revestido destes materiais orgânicos, mas o aumento da magnitude de absorção varia de forma não-linear, dependendo da quantidade de revestimento presente.

Rajan e William queriam descobrir uma relação universal entre a quantidade de revestimento e a habilidade da fuligem de absorver luz.

Primeiro, eles criaram partículas simuladas idênticas às encontradas na natureza, com graus variados de revestimento orgânico. Então, utilizando técnicas emprestadas do estudo de Rajan sobre fractais, a equipe analisou cálculos minuciosos, medindo gradualmente a absorção de luz nas partículas.

Quando eles esquematizaram as magnitudes de absorção com a porcentagem de revestimento orgânico, o resultado foi o que os matemáticos e cientistas chamam de “lei universal de potência.” Isto significa que, conforme a quantia de revestimento aumenta, a absorção de luz da fuligem aumenta proporcionalmente.

(O comprimento e a área de um quadrado estão relacionados por uma lei universal de potência: Se você dobra o comprimento dos lados de um quadrado, a área aumenta quatro vezes. Não importa qual era o comprimento inicial dos lados, a relação sempre se manterá.)

Eles então se voltaram para um estudo feito por diferentes grupos de pesquisa, que mediu a absorção de luz da fuligem em todo o globo, de Houston a Londres e Pequim. Rajan e William novamente esquematizaram os aumentos de absorção com a porcentagem de revestimento.

O resultado foi uma lei universal de potência com a mesma proporção de um terço, assim como foi encontrada em seus experimentos simulados.

Com tantos valores diferentes para o aumento de absorção de luz na fuligem, Rajan disse que os modeladores do clima estão confusos. “O que fazemos? Como podemos representar a realidade em nossos modelos?

Agora você tem ordem no caos e uma lei,” ele disse. “E agora você pode aplicá-la computacionalmente, de uma forma econômica.”

As descobertas deles também indicam o fato de que o aquecimento devido ao carbono negro pode ter sido subestimado pelos modelos climáticos. Pressupor um formato esférico para essas partículas e não levar em conta de forma adequada o aumento da absorção de luz pode resultar em estimativas de aquecimento significativamente mais baixas.

Rahul Zaveri, cientista sênior e desenvolvedor do modelo detalhado de aerossol MOSAIC do Laboratório Nacional do Noroeste Pacífico, chama essas descobertas de um avanço significativo e oportuno.

“Estou especialmente animado com a elegância matemática e a extrema eficiência computacional da nova parametrização, que pode ser prontamente implementada aos modelos climáticos uma vez que a acompanhante parametrização da dispersão de luz das partículas do carbono negro for desenvolvida,” ele disse.

Reação de um pioneiro na pesquisa de carbono negro

“Esse estudo fortalece a ciência e confirma o papel do carbono negro como um forçador significativo da mudança climática,” disse Mark Z. Jacobson, professor de engenharia civil e ambiental e diretor do Programa de Atmosfera/Energia na Universidade Stanford.

“Esse estudo mostra, com uma combinação de dados e uma modelagem altamente detalhada, que os fortes efeitos climáticos previamente encontrados não são somente corroborados, mas também que eles talvez tenham sido até mesmo subestimados em alguns dos estudos anteriores, pois muitos deles não levaram em conta as formas reais das partículas de carbono negro e as misturas resultantes.”

Referência:

Scaling Laws for Light Absorption Enhancement Due to Nonrefractory Coating of Atmospheric Black Carbon Aerosol

Rajan K. Chakrabarty and William R. Heinson

Phys. Rev. Lett. 121, 218701 – Published 19 November 2018

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.218701

Fonte: Universidade Washington em St. Louis*

* Tradução de Ivy do Carmo, Magma Translation (magmatranslation.com)

Publicado pelo EcoDebate, ISSN 2446-9394, 29/11/2018.