Observing Water Vapour

alguns gases atmosféricos, tais como vapor de água e CO2, absorvem e reemitem energia infravermelha da atmosfera até à superfície da Terra. Este processo, o efeito estufa, leva a uma temperatura média da superfície 33 °C superior à que seria na sua ausência. Se não fosse o efeito de estufa, a temperatura média da Terra seria uma temperatura fria de -18 °C. Contudo, são os gases não condensáveis ou de longa duração com efeito de estufa – principalmente CO2, mas também metano (CH4), óxido nitroso (N2O) e halocarbonos (CFC, HCFC, HFC) – que actuam como os motores do efeito de estufa. O vapor de água e as nuvens actuam como feedbacks rápidos – ou seja, o vapor de água responde rapidamente às mudanças de temperatura, através da evaporação, condensação e precipitação.

Este forte feedback de vapor de água significa que, para um cenário que considera a duplicação da concentração de CO2 das condições pré-industriais, o vapor de água e as nuvens conduzem globalmente a um aumento da energia térmica que é cerca de três vezes superior ao dos gases com efeito de estufa de longa duração. Portanto, medida na capacidade de reter o calor emanado da superfície terrestre, o vapor de água e as nuvens são os maiores contribuintes para o aquecimento. A quantidade de vapor de água na atmosfera é uma resposta directa à quantidade de CO2 e aos outros gases com efeito de estufa de longa duração, aumentando à medida que aumentam.

É-nos impossível controlar directamente a quantidade de vapor de água na atmosfera, uma vez que a água se encontra em todo o nosso planeta – cobre 71% da superfície da Terra. Para limitar a quantidade de vapor de água na atmosfera e controlar a temperatura da Terra, temos de limitar os gases com efeito de estufa sobre os quais podemos, na prática, fazer alguma coisa: O CO2 e os outros gases com efeito de estufa de longa duração.

GAW observa o vapor de água, uma vez que é um importante constituinte atmosférico através do papel que desempenha no sistema climático como gás potente com efeito de estufa e como fonte de nuvens. O vapor de água é também importante como composto químico, tanto na troposfera como fonte do radical hidroxil, o oxidante mais importante da troposfera, como na estratosfera onde tem influência no empobrecimento da camada de ozono, especialmente nas regiões polares.

Balão-carga útil suportada, constituída por um higrómetro de ponto de congelação NOAA (FPH, frente), uma célula de concentração electroquímica (ECC) ozonasonde (atrás) e um radiosonde InterMet (esquerda). O fino tubo de entrada de ar de aço inoxidável estende-se para fora da parte superior da FPH. Um tubo semelhante é fixado ao fundo da FPH antes do lançamento.

Medição do vapor de água

O vapor de água atmosférico pode ser medido utilizando uma vasta gama de técnicas e plataformas de observação. Estas observações são utilizadas principalmente para previsão numérica do tempo, monitorização e investigação sobre o clima e a química atmosférica. O vapor de água é medido in situ por instrumentos baseados em balões e aeronaves, e remotamente por sensores baseados em satélite e terrestres.

As diferentes técnicas para medir o vapor de água incluem a utilização de:

• Sensores de microondas passivas instalados em plataformas em órbita polar;
• Sensores infravermelhos, que constituem o mais longo registo de satélite de perfis de vapor de água e instrumentos de sonorização;
• Ultraviolet/visível/near-infrared imagers (métodos de recuperação diurna que utilizam dois canais e fornecem alta resolução espacial (~ 1 km));
• Sonda de escalada, a técnica de sondagem de várias camadas da atmosfera por observação ao longo de um raio tangente que não intersecta a superfície da Terra;
• Radiosondes, um instrumento comummente utilizado para sondagem in situ que fornece perfis de alta qualidade de humidade relativa (entre outras variáveis) com uma resolução vertical ainda inigualável de aproximadamente 5 metros – numa escala global são lançados cerca de 1 000 radiosondes por dia. Os sensores de humidade nos radiosondes fornecem dados de humidade de boa qualidade em grande parte da troposfera, no entanto, devem ser aplicadas correcções importantes às suas medições de humidade na troposfera superior e na estratosfera;
• Higrómetros de ponto de congelação de balão que utilizam um espelho arrefecido, cuja temperatura é cuidadosamente controlada à temperatura do ponto de congelação;

Instrumentos baseados no solo, que permitem a sondagem semi-contínua da massa de ar num local fixo; e

• Vários aviões comerciais de longo alcance equipados com sensores de vapor.

Tendências no vapor de água atmosférico observado são dificultadas por não homogeneidades nos registos de dados, que ocorrem quando os programas de medição são descontinuados devido, por exemplo, à limitada duração de vida das missões de satélite ou a alterações insuficientemente documentadas ou compreendidas nos instrumentos. A combinação de registos de diferentes instrumentos que não concordam uns com os outros também constitui um problema. Um exemplo é a compensação entre os registos dos instrumentos de satélite HALOE e MLS. No entanto, as observações mostram um aumento constante da coluna de vapor de água total, bem como um aumento líquido de 30 anos do vapor de água estratosférica.

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Emrys Hall (CIRES, Universidade do Colorado) prepara-se para lançar um balão com uma NOAA FPH, um ozono ECC e um radiosonde do Marshall Field Site em Boulder, Colorado.

br>h4>Vapor de água em modelos climáticosp>Durante a última metade do século XX, a quantidade de vapor de água na estratosfera mostrou uma tendência líquida crescente, mas desde 2000 houve períodos de abundância crescente e decrescente (Nedoluha et al., 2013). Falta actualmente uma compreensão abrangente de todos os mecanismos que impulsionam as mudanças no vapor de água estratosférico. A maior parte do transporte de gases da troposfera para a estratosfera acontece através da tropopausa tropical. Devido às baixas temperaturas nesta região da atmosfera, o ar fica congelado e muito pouca água entra na estratosfera. De facto, uma fonte importante de vapor de água estratosférica é a oxidação do metano transportado para cima a partir da troposfera. Espera-se que o aquecimento futuro devido às alterações climáticas e ao aumento das concentrações de metano conduza a mais vapor de água na estratosfera.

Aumentos do vapor de água na troposfera superior e na estratosfera inferior (UTLS) conduzem ao arrefecimento radiativo a estes níveis e induzem o aquecimento à superfície. Análises recentes sugerem que o aquecimento à superfície da Terra pode ser sensível a sub partes por milhão (ppm) por alterações de volume do vapor de água na estratosfera inferior. A investigação descobriu que uma diminuição de 10% no vapor de água estratosférico entre 2000 e 2009 actuou para abrandar a taxa de aumento da temperatura global da superfície durante este período de tempo em cerca de 25% em comparação com a que teria ocorrido apenas devido ao CO2 e outros gases com efeito de estufa.1 Dados mais limitados sugerem que o vapor de água estratosférico provavelmente aumentou entre 1980 e 2000, o que teria aumentado a taxa de decaimento do aquecimento da superfície durante os anos 90 em cerca de 30% em comparação com as estimativas que negligenciam esta alteração. Estes resultados mostram que o vapor de água estratosférico é um importante motor da mudança climática global de superfície decadal.

Na ausência de observações globais tridimensionais do vapor de água, os produtos de reanálise global são frequentemente utilizados para validar simulações de modelos numéricos. Dois conjuntos de dados de reanálise amplamente utilizados são a Análise Retrospectiva Modern-Era da NASA para Investigação e Aplicações (MERRA), a sua mais recente versão MERRA2, e o Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo (ECMWF) Reanálises Interinas.

Um estudo recente mostrou que os dados de reanálise sobre o vapor de água atmosférico a alta altitude, críticos para o efeito de estufa, não são tão precisos como se pensava anteriormente. Os dados de vapor de água para a região UTLS a partir destes conjuntos de dados de reanálise foram comparados com os dados de vapor de água da Microwave Limb Sounder (MLS) no satélite AURA. Estes dados de satélite não foram utilizados na produção destas reanálises, pelo que representam um conjunto de dados independente bem adequado para validação. O estudo concluiu que as reanálises diferiram bastante das observações do MLS, sobrestimando a média global anual do vapor de água na troposfera superior em cerca de 150%. Verticalmente, o transporte de vapor de água através da tropopausa tropical (16-20 km) nas reanálises é mais rápido até ~86% em comparação com as observações do MLS. Na estratosfera tropical inferior (21-25 km), o transporte vertical médio do ECMWF é 168% mais rápido do que a estimativa do MLS, enquanto que o MERRA e o MERRA2 têm velocidades de transporte vertical dentro de 10% dos valores do MLS. Horizontalmente a 100 hectopascal (hPa), tanto as observações MLS como as reanálises mostram um transporte mais rápido para os pólos no Hemisfério Norte do que no Hemisfério Sul. Em comparação com as observações MLS, o transporte horizontal de vapor de água tanto para o MERRA como para o MERRA2 é 106% mais rápido no Hemisfério Norte, mas cerca de 42-45% mais lento no Hemisfério Sul. O transporte horizontal ECMWF é 16% mais rápido do que as observações MLS em ambos os hemisférios.

Para acrescentar complexidade a estas discrepâncias, deve também ser mencionado que os dados de vapor de água do MLS mostram enviesamentos secos de 10-20% na troposfera tropical superior em comparação com os higrómetros de ponto de geada lançados em balões meteorológicos de Hilo, Hawaii, e San José, Costa Rica (Dale Hurst, 2016). Os enviesamentos secos MLS podem reduzir ligeiramente os enviesamentos húmidos nas reanálises provisórias MERRA e ERA em relação ao MLS.

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Tendências de vapor de água estratosférica sobre Boulder, Colorado, mostram um aumento líquido de 30 anos no vapor de água estratosférica. De Hurst et al., 2011

br>>p>Estas grandes discrepâncias entre diferentes tipos de dados observacionais, e entre observações e resultados de reanálise, demonstram incertezas significativas nas medições, bem como a nossa falta de compreensão dos processos de transporte e desidratação na região UTLS. Mostram também que existe uma grande necessidade de mais e melhores observações de vapor de água nesta região. Como mencionado na secção sobre medições, os actuais sistemas de observação são dificultados por várias deficiências, tais como os tempos de vida limitados das missões de satélite e uma distribuição espaço-temporal escassa de medições baseadas em balões e no solo; por exemplo, existe apenas um local no mundo (Boulder, Colorado) onde existe uma série temporal de medições de vapor de água em balões com mais de 30 anos na região UTLS.

Os modelos que são usados para prever o clima futuro usam dados de reanálise para verificar se o clima actual é modelado correctamente. A falta de dados precisos sobre o vapor de água na importante região UTLS limitará, portanto, a capacidade destes modelos de prever o clima futuro.

Vapor de água como composto químico

Além de actuarem como gás de estufa e como fonte de nuvens, as moléculas de água também tomam parte em reacções químicas na atmosfera. O vapor de água, juntamente com o ozono, é uma fonte importante para a formação do radical hidroxil altamente reactivo (OH). O radical OH é o oxidante mais importante na atmosfera inferior, fornecendo o sumidouro dominante para muitos gases com efeito de estufa (por exemplo, CH4, hidroclorofluorocarbonos (HCFC), hidrofluorocarbonos (HFC)) e poluentes (por exemplo, CO e hidrocarbonetos não-metânicos). No ar limpo, o radical OH é formado através deste par de reacções químicas:

O3 + n (I<340nm) -> O2 + O(1D)
O(1D) + H2O -> 2OH

A abundância de OH na atmosfera depende das quantidades de ozono e de vapor de água. A produção de OH também depende da quantidade de ozono aéreo, uma vez que isto determina a quantidade de radiação de onda curta necessária para quebrar a molécula de ozono.

Onde a troposfera é bastante húmida, a estratosfera é muito seca, tipicamente com rácios de mistura de vapor de água ≤ 5 ppm. Isto significa que normalmente não há nuvens na estratosfera. Contudo, se as temperaturas descerem abaixo de -78°C, podem formar-se nuvens de gelo especiais de água e ácido nítrico (HNO3 – 3H2O). Nas superfícies das partículas de gelo, ocorrem reacções químicas que convertem compostos inócuos do reservatório de cloro (ácido clorídrico, HCl e nitrato de cloro, ClONO2) em formas reactivas (monóxido de cloro, ClO) que destroem o ozono.

As concentrações crescentes de vapor de água juntamente com a diminuição das temperaturas na estratosfera – também uma consequência das alterações climáticas – darão origem a mais destas nuvens e que conduzirão a um empobrecimento mais severo da camada de ozono enquanto a concentração de gases que empobrecem a camada de ozono permanecer elevada.

Nuvens de madrepérola na estratosfera, cerca de 20-25 km acima do solo, formam-se em ondas de vento de esquerda quando fortes ventos de oeste sopram sobre as montanhas norueguesas. As cores são causadas pela difracção em torno das partículas de gelo que compõem estas nuvens. Apesar da sua beleza, elas pressagiam a destruição do ozono através da conversão de compostos halogenados passivos em espécies activas que destroem o ozono.

br>h4>Desafios na observação do vapor de águap>A distribuição do vapor de água na troposfera superior e na estratosfera não é muito conhecida devido a uma escassez de observações nesta região da atmosfera. A distribuição global do vapor de água na troposfera superior e na estratosfera não é muito conhecida devido a uma escassez de observações de alta resolução vertical nesta região da atmosfera. Em alguns casos existem também discrepâncias significativas entre os dados de satélite, os dados do higrómetro do ponto de congelação e as reanálises meteorológicas. São necessários dados mais precisos com melhor cobertura geográfica. As tendências temporais observadas no vapor de água estratosférica são mal compreendidas e isto demonstra a nossa falta de compreensão de como o vapor de água entra na estratosfera. Estas são áreas que a GAW irá abordar no futuro.

Forster, P. M. de F., e K. P. Shine (2002), Assessing the climate impact of trends in stratospheric water vapor, Geophys. Res. Lett., 29, 1086, doi:10.1029/2001GL013909.

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Hurst, D.F., 2016, comunicação pessoal.

p>Jiang, Jonathan H., Hui Su, Chengxing Zhai, Longtao Wu, Kenneth Minschwaner, Andrea M. Molod, Adrian M. Tompkins, 2015: An assessment of upper troposphere and lower stratosphere water vapor in MERRA, MERRA2, and ECMWF reanalyses using Aura MLS observations, J. Geophys. Res. Atmosfera, 120, 11,468-11,485, doi:10.1002/2015JD023752.

Lacis, A.A., J.E. Hansen, G.L. Russell, V. Oinas e J. Jonas, 2013: O papel dos gases com efeito de estufa de longa duração como principal botão de controlo LW que rege a temperatura global da superfície para as alterações climáticas passadas e futuras. Tellus B, 65:19734, doi10.3402/tellusb. v65i0.19734.

Nedoluha, G. E., Michael Gomez, R., Allen, D. R., Lambert, A., Boone, C., e Stiller, G.: Variations in middle atmospheric water vapor from 2004 to 2013, J. Geophys. Res. Atmos., 118, 11285-11293, doi:10.1002/jgrd.50834, 2013.

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Outra leitura

Observações de vapor de água: N. Kämpfer (ed.), Monitoring Atmospheric Water Vapour, ISSI Scientific Report Series 10, DOI 10.1007/978-1-4614-3909-7, ©Springer Science+Business Media, LLC 2013

Vapor de água como gás com efeito de estufa e como feedback: https://www.skepticalscience.com/water-vapor-greenhouse-gas.htm

Autores

Ed Dlugokencky, E.U.A. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Earth System Research Laboratory

Sander Houweling, Netherlands Institute for Space Research (SRON)

p>Ruud Dirksen, Global Climate Observing System (GCOS) Reference Upper-Air Network (GRUAN) Lead Centre, Deutscher Wetterdienst (DWD)p>Marc Schröder, Deutscher Wetterdienst (DWD)p>Dale Hurst, U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Earth System Research Laboratory and Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES), University of Coloradop>Piers Forster, School of Earth and Environment, University of Leedsp>WMO Secretariat, Oksana Tarasova, Chief, e Geir Braathen, Senior Scientific Officer, Global Atmosphere Watch