O metano é um potente gás de efeito estufa, perdendo apenas para o dióxido de carbono no aumento das temperaturas globais. Mas ele não permanece na atmosfera por muito tempo graças a moléculas chamadas radicais hidroxila, conhecidas como o "detergente da atmosfera" por sua capacidade de decompor o metano. No entanto, com o aquecimento do planeta, não está claro como esses agentes purificadores do ar irão reagir.

Cientistas do MIT estão agora lançando luz sobre isso. A equipe desenvolveu um novo modelo para estudar diferentes processos que controlam como os níveis de radicais hidroxila se alteram com o aumento das temperaturas.

Eles descobriram que o cenário é complexo. Com o aumento das temperaturas, o vapor de água na atmosfera também aumentará, o que, por sua vez, elevará a concentração da molécula. Mas o aumento das temperaturas também aumentará as emissões de compostos orgânicos voláteis biogênicos — gases liberados naturalmente por algumas plantas e árvores. Essas emissões naturais podem reduzir o radical hidroxila e atenuar o efeito estimulante do vapor de água.

Especificamente, a equipe descobriu que, se a temperatura média do planeta aumentar em 2 graus Celsius, o aumento correspondente no vapor d'água elevará os níveis de radicais hidroxila em cerca de 9%. Mas o aumento correspondente nas emissões biogênicas, por sua vez, reduziria os níveis de radicais hidroxila em 6%. O resultado final poderia significar um pequeno aumento, de cerca de 3%, na capacidade da atmosfera de decompor metano e outros compostos químicos à medida que o planeta aquece.

“Os radicais hidroxila são importantes para determinar a vida útil do metano e de outros gases de efeito estufa reativos, bem como de gases que afetam a saúde pública, incluindo o ozônio e certos outros poluentes atmosféricos”, afirma Qindan Zhu, autor do estudo e líder da pesquisa como pós-doutorando no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT.

“Há uma série de razões ambientais pelas quais queremos entender o que está acontecendo com essa molécula”, acrescenta Arlene Fiore, professora titular da Cátedra Peter H. Stone e Paola Malanotte Stone no Departamento de Ciências Ambientais e da Atmosfera (EAPS). “Queremos garantir que ela esteja presente para remover quimicamente todos esses gases e poluentes.”

O novo estudo de Fiore e Zhu foi publicado hoje no  Journal of Advances in Modeling Earth Systems (JAMES).  Os coautores do estudo, do MIT, incluem Jian Guan e Paolo Giani, juntamente com Robert Pincus, Nicole Neumann, George Milly e Clare Singer, do Observatório da Terra Lamont-Doherty e da Escola de Clima da Universidade Columbia, e Brian Medeiros, do Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica.

O radical hidroxila, conhecido quimicamente como OH, é composto por um átomo de oxigênio e um átomo de hidrogênio, além de um elétron desemparelhado. Essa configuração torna a molécula extremamente reativa. Como um aspirador de pó químico, o OH facilmente atrai um elétron ou um átomo de hidrogênio de outras moléculas, decompondo-as em formas mais fracas e mais solúveis em água. Dessa forma, o OH decompõe uma vasta gama de substâncias químicas, incluindo alguns poluentes atmosféricos, patógenos e ozônio. E as alterações nos níveis de OH são um poderoso mecanismo de controle do metano.

“Para o metano, a reação com OH é considerada a via de perda mais importante”, diz Zhu. “Cerca de 90% do metano removido da atmosfera se deve à reação com OH.”

De fato, é graças às reações com o radical hidroxila que o metano só consegue permanecer na atmosfera por cerca de uma década — muito menos tempo do que o dióxido de carbono, que pode permanecer por 1.000 anos ou mais. Mas mesmo enquanto o OH decompõe o metano já presente na atmosfera, mais metano continua se acumulando. O aumento das concentrações de metano, além das emissões de dióxido de carbono de origem humana, está impulsionando o aquecimento global, e não está claro como o poder de eliminação do metano pelo OH conseguirá acompanhar esse ritmo.

“As questões que estamos explorando aqui são: Quais são os principais processos que controlam as concentrações de OH? E como o OH responderá às mudanças climáticas?”, diz Fiore.

Para o estudo, os pesquisadores desenvolveram um novo modelo para simular os níveis de OH na atmosfera sob um cenário climático global atual, em comparação com um futuro clima mais quente. O modelo, denominado “AquaChem”, é uma expansão de um modelo simplificado que faz parte de um conjunto de ferramentas desenvolvido pelo projeto Community Earth System Model (CESM). O modelo escolhido pela equipe como base representa a Terra como um “aquaplaneta” simplificado, com uma superfície inteiramente coberta por oceanos.

Os modelos Aquaplanet permitem que os cientistas estudem interações detalhadas na atmosfera em resposta a mudanças nas temperaturas da superfície, sem precisar gastar tempo e energia computacional simulando a dinâmica complexa entre a terra, a água e as calotas polares.

Ao modelo do aquaplaneta, Zhu adicionou um componente de química atmosférica que simula reações químicas detalhadas na atmosfera, consistentes com as temperaturas de superfície aplicadas. As reações químicas que ela modelou representam aquelas que sabidamente afetam as concentrações de OH.

O OH é produzido principalmente quando o ozônio interage com a luz solar na presença de vapor d'água. Por exemplo, cientistas descobriram que os níveis de OH podem variar dependendo de certas emissões antropogênicas e naturais, as quais Zhu incorporou separadamente e em conjunto no modelo AquaChem para isolar o impacto de cada processo sobre o OH.

As emissões incluem, em particular, monóxido de carbono, metano, óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis (COVs), alguns emitidos por atividades humanas e outros provenientes de processos naturais. Um tipo de COV de origem natural são as emissões “biogênicas” — gases, como o isopreno, que algumas plantas e árvores emitem através de minúsculos poros chamados estômatos durante a transpiração.

No modelo AquaChem, Zhu inseriu dados disponíveis para cada tipo de emissão referentes ao ano 2000 — um ano geralmente considerado representativo do clima atual de forma simplificada. Ela definiu as temperaturas da superfície do mar do aquaplaneta como a média anual zonal daquele ano e descobriu que o modelo reproduzia com precisão as principais sensibilidades da química do OH aos processos químicos subjacentes, conforme simulado em um modelo químico-climático mais complexo.

Em seguida, Zhu executou o modelo sob um segundo cenário de aquecimento global. Ela definiu que as temperaturas da superfície do mar do planeta aumentariam em 2 graus Celsius (um aquecimento que provavelmente ocorrerá a menos que as emissões globais antropogênicas de carbono sejam mitigadas). A equipe analisou como esse aquecimento afetaria os vários tipos de emissões e processos químicos e como essas mudanças afetariam, em última análise, os níveis de OH na atmosfera.

No final, eles descobriram que os dois maiores fatores que impulsionam os níveis de OH são o aumento do vapor de água e as emissões biogênicas. Constataram que o aquecimento global aumentaria a quantidade de vapor de água na atmosfera, o que, por sua vez, aumentaria a produção de OH em 9%. No entanto, esse mesmo grau de aquecimento também aumentaria as emissões biogênicas, como o isopreno, que reage com o OH e o decompõe, reduzindo seus níveis em 6%.

A equipe reconhece que existem muitos outros fatores que afetam a resposta das emissões de isopreno ao aquecimento da superfície. O aumento do CO2 , não considerado neste estudo, pode atenuar essa resposta impulsionada pela temperatura. De todos os fatores que podem alterar os níveis de OH sob o aquecimento global, os pesquisadores alertam que as emissões biogênicas são as mais incertas, embora pareçam ter uma grande influência. No futuro, os cientistas planejam atualizar o AquaChem para continuar estudando como as emissões biogênicas, bem como outros processos e cenários climáticos, podem influenciar as concentrações de OH.

Este trabalho foi financiado, em parte, pela Spark Climate Solutions e pela Administração Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA).