Um longo período de calor úmido seguido por tempestades intensas é um padrão climático historicamente observado principalmente nos trópicos e em seus arredores. Mas as mudanças climáticas estão tornando as ondas de calor úmido e as tempestades extremas mais comuns em regiões de latitudes médias tradicionalmente temperadas, como o meio-oeste dos EUA, que tem apresentado episódios de calor e umidade excepcionalmente altos nos últimos verões.

Agora, cientistas do MIT identificaram uma condição fundamental na atmosfera que determina o quão quente e úmida uma região de latitudes médias pode ficar, e a intensidade das tempestades associadas a ela. Os resultados podem ajudar os cientistas do clima a avaliar o risco de uma região sofrer com ondas de calor úmidas e tempestades extremas à medida que o mundo continua a aquecer.

Em um estudo publicado esta semana na revista Science Advances , a equipe do MIT relata que o calor úmido máximo e a intensidade das tempestades em uma região são limitados pela força de uma "inversão atmosférica" — uma condição climática na qual uma camada de ar quente se instala sobre o ar mais frio.

Sabe-se que as inversões térmicas atuam como um cobertor atmosférico que retém poluentes ao nível do solo. Agora, pesquisadores do MIT descobriram que as inversões atmosféricas também retêm e acumulam calor e umidade na superfície, principalmente em regiões de latitudes médias. Quanto mais persistente for uma inversão, mais calor e umidade uma região poderá acumular na superfície, o que pode levar a ondas de calor úmidas mais opressivas e duradouras.

E, quando uma inversão térmica finalmente enfraquece, a energia térmica acumulada é liberada na forma de convecção, o que pode agitar o ar quente e úmido, provocando tempestades intensas e chuvas torrenciais.

A equipe afirma que esse efeito é especialmente relevante para regiões de latitudes médias, onde as inversões atmosféricas são comuns. Nos EUA, regiões a leste das Montanhas Rochosas frequentemente experimentam inversões desse tipo, com ar relativamente quente em altitude sobrepondo-se ao ar mais frio próximo à superfície.

Com o aquecimento global que agrava ainda mais a atmosfera, a equipe suspeita que as inversões térmicas possam se tornar mais persistentes e difíceis de dissipar. Isso poderia significar ondas de calor úmidas mais frequentes e tempestades mais intensas em locais não acostumados a condições climáticas tão extremas.

“Nossa análise mostra que as regiões leste e centro-oeste dos EUA e as regiões do leste da Ásia podem se tornar novos focos de calor úmido no clima futuro”, afirma a autora do estudo, Funing Li, pós-doutoranda no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT.

“Com o aquecimento do clima, teoricamente a atmosfera será capaz de reter mais umidade”, acrescenta a coautora e professora assistente da EAPS, Talia Tamarin-Brodsky.  “É por isso que novas regiões nas latitudes médias poderão sofrer ondas de calor úmidas que causarão um estresse ao qual não estavam acostumadas antes.”

As camadas da atmosfera geralmente ficam mais frias com a altitude. Nessas condições típicas, quando uma onda de calor atinge uma região, ela aquece o ar próximo ao solo. Como o ar quente é mais leve que o ar frio, ele acaba subindo, como um balão de ar quente, fazendo com que o ar mais frio desça. Essa ascensão e descida do ar desencadeia a convecção, como bolhas na água fervente. Quando o ar quente atinge altitudes mais frias, ele se condensa em gotículas que se precipitam, geralmente na forma de tempestades, que muitas vezes aliviam uma onda de calor.

Para o seu novo estudo, Li e Tamarin-Brodsky questionaram: O que seria necessário para que o ar na superfície começasse a convectar e, por fim, pusesse fim a uma onda de calor? Ou seja: O que limita a temperatura que uma região pode atingir antes que o ar comece a convectar e eventualmente cause chuva?

A equipe tratou a questão como um problema de energia. O calor é uma forma de energia que pode ser considerada de duas maneiras: a energia proveniente do calor seco (ou seja, a temperatura) e a energia proveniente do calor latente, ou úmido. Os cientistas concluíram que, para uma determinada porção ou "parcela" de ar, existe uma certa quantidade de umidade que, ao se condensar, contribui para a energia total dessa parcela de ar. Dependendo da quantidade de energia que uma parcela de ar possui, ela pode começar a sofrer convecção, subir e, eventualmente, precipitar-se em forma de chuva.

“Imagine colocar um balão em volta de uma porção de ar e perguntar: ela ficará no mesmo lugar, subirá ou afundará ? ”, diz Tamarin-Brodsky. “Não se trata apenas do ar quente que está subindo. Você também precisa pensar na umidade presente. Então, consideramos a energética de uma porção de ar, levando em conta a umidade contida nela. Assim, podemos encontrar a 'energia úmida' máxima que pode se acumular perto da superfície antes que o ar se torne instável e entre em convecção.”

Ao analisarem os dados, os pesquisadores descobriram que a quantidade máxima de energia úmida, ou seja, o nível máximo de calor e umidade que o ar pode reter, é determinada pela presença e intensidade de uma inversão térmica. Nos casos em que as camadas atmosféricas estão invertidas (quando uma camada de ar quente ou leve se deposita sobre o ar mais frio ou denso próximo ao solo), o ar precisa acumular mais calor e umidade para que uma parcela de ar consiga gerar energia suficiente para subir e romper a camada de inversão. Quanto mais persistente for a inversão, mais quente e úmido o ar precisa ficar para conseguir subir e realizar convecção.

A análise sugere que uma inversão térmica pode aumentar a capacidade de uma região de reter calor e umidade. A intensidade desse calor e umidade depende da estabilidade da inversão. Se uma camada de ar quente permanecer sobre uma região sem se deslocar, ela permite que mais calor úmido se acumule, ao contrário de quando essa camada se dissipa rapidamente. Quando o ar finalmente se movimenta por convecção, o calor e a umidade acumulados geram tempestades mais fortes e intensas.

“Essa inversão térmica crescente tem dois efeitos: ondas de calor úmido mais severas e tempestades convectivas menos frequentes, porém mais extremas”, afirma Tamarin-Brodsky.

As inversões atmosféricas se formam de diversas maneiras. À noite, a superfície que aqueceu durante o dia esfria irradiando calor para o espaço, tornando o ar em contato com ela mais frio e denso do que o ar acima. Isso cria uma camada rasa na qual a temperatura aumenta com a altitude, chamada de inversão noturna. As inversões também podem se formar quando uma camada rasa de ar marítimo frio se desloca do oceano para o interior e desliza sob o ar mais quente sobre a terra, deixando ar frio próximo à superfície e ar mais quente acima. Em alguns casos, inversões persistentes podem se formar quando o ar aquecido sobre montanhas ensolaradas é transportado sobre regiões baixas e mais frias, de modo que uma camada quente em altitude encobre o ar mais frio próximo ao solo.

“Em um futuro cenário climático para o Centro-Oeste, essas regiões podem experimentar tanto tempestades mais severas quanto ondas de calor úmido mais extremas”, afirma Tamarin-Brodsky. “Nossa teoria nos permite compreender o limite para o calor úmido e a convecção severa nessas comunidades, que serão futuros focos de ondas de calor e tempestades.”

Esta pesquisa faz parte do Desafio Climático Grandioso do MIT sobre Eventos Meteorológicos e Climáticos Extremos. O apoio foi fornecido pela Schmidt Sciences.