Frontiers in Earth Science

Como tema de estudo, as ciências atmosféricas abrangem todos os processos que ocorrem na atmosfera, juntamente com as suas ligações com outros sistemas, principalmente a hidrosfera, criosfera, litosfera, biosfera e espaço exterior. Como tal, é uma disciplina extensa e a tarefa de descrever os principais desafios não é fácil, e implica um grau justo de sobreposição com alguns dos outros grandes desafios das ciências da Terra e do ambiente. Como pode ocorrer uma sobreposição especial com as ciências climáticas, vale a pena lembrar que os processos atmosféricos diferem dos climáticos na escala temporal, sendo estes últimos os que ocorrem durante longos períodos, tipicamente superiores a 30 anos, mas em qualquer caso suficientemente longos para produzir médias significativas. Os processos atmosféricos são centrais para configurar o estado do clima, mas também para muitos dos forcings e feedbacks que determinam a magnitude da mudança climática e seus possíveis impactos. Além disso, tem havido um progresso impressionante dos últimos tempos nas ciências atmosféricas em termos dos benefícios proporcionados aos indivíduos e organizações. O fluxo de “informação” atmosférica é de considerável importância nas decisões relacionadas à saúde, agricultura, energia, poder e meio ambiente. Este artigo “Grandes Desafios” foca a atmosfera, embora a forte interação com outras partes da Terra e seu ambiente, juntamente com as implicações sociais envolvidas, seja um tema comum em todos os desafios descritos.

Nos próximos anos, o progresso nas ciências atmosféricas é essencial para que a compreensão dos processos básicos e sua modelagem possa melhorar; isto exigirá avanços genuínos em abordagens observacionais, conceituais e tecnológicas. Por esta razão, a seguinte lista não exaustiva de 12 desafios selecionados inclui aqueles relacionados às observações e assimilação de dados, aqueles cobertos dentro das disciplinas tradicionais (física e química atmosférica, dinâmica atmosférica e previsão do tempo), aqueles relacionados com as interações entre a atmosfera e seus limites, e aqueles relacionados com a componente atmosférica dos estudos climáticos.

Challenge 1: Assimilação de dados

Os desafios em termos de assimilação de dados para observação da Terra nos próximos anos estão relacionados com aspectos técnicos e temáticos gerais, bem como com a capacidade de aproveitar novas e excitantes oportunidades nos sistemas de observação da Terra. Os benefícios de abordar esses desafios provavelmente incluem melhorias nas reanálises, melhorias na previsão do tempo, um sistema de observação melhorado e uma base melhorada sobre a qual os elementos dos modelos climáticos podem ser construídos. Entre os desafios técnicos, cinco áreas são as mais significativas: (1) a assimilação de dados acoplados para contabilizar as ligações entre diferentes elementos do sistema terrestre; exemplos incluem o acoplamento da atmosfera e do oceano, do oceano e da criosfera, e da atmosfera e da terra; (2) a assimilação de dados de conjuntos para contabilizar a variabilidade natural e/ou para representar erros no sistema terrestre – aqui, o esforço técnico concentrar-se-á no desenho de conjuntos realistas; (3) realização da assimilação de dados em maiores resoluções espaciais, representando o sistema terrestre em escalas mais finas (mesoscala e mais finas), incluindo desenvolvimentos teóricos para responder a mudanças nas condições de equilíbrio; (4) melhor representação dos erros (aleatório e viés) nas observações e modelos utilizados na assimilação de dados, incluindo a representação de erros de previsão, erros de modelo e correção de viés em linha; (5) extensão e consolidação da estimativa conjunta do estado e da abordagem de modelagem inversa para estudar os ciclos biogeoquímicos (e.g., o ciclo do carbono). O desafio global aqui é a consolidação e integração dos esforços comunitários de assimilação de dados das agências meteorológicas e espaciais, de pesquisa e atividades operacionais, e de plataformas de observação in situ e de satélite, incluindo todas as colaborações continentais e globais, e a aplicação efetiva desses esforços para o desenvolvimento de novas missões de observação da Terra.

Desafio 2: Processos de Pequena Escala na Atmosfera

Desafios transversais são aparentes em termos da nossa compreensão fundamental dos processos de pequena escala e aplicações relacionadas, muitas das quais estão actualmente a ser activamente debatidas e estudadas. Primeiro, o aumento da potência computacional permite a simulação mais detalhada de problemas de mecânica dos fluidos, assim, mesmo fluxos estavelmente estratificados são agora modelados por simulação numérica direta. Ao mesmo tempo, estas técnicas computacionais avançadas também requerem uma nova geração de esquemas de parametrização para previsão numérica do tempo (PNS) e modelagem climática. Em altas resoluções, por exemplo, a dinâmica complexa que ocorre em áreas urbanas não pode ser negligenciada e são necessários esquemas específicos de PNS para representá-los. Em redes de menor tamanho, a chamada zona cinza de turbulência é abordada no PNT, e o impacto disso deve ser compreendido e quantificado. Há algum espaço para melhorias em termos da representação das nuvens e do ciclo diurno de convecção profunda, e o mesmo se aplica aos processos físicos que governam as camadas de fronteira estáveis e o ciclo diurno, e à natureza intermitente da turbulência, especialmente em condições de calma. Além disso, resoluções mais altas também requerem técnicas mais avançadas para permitir a interpretação das observações feitas. Na meteorologia de camada limite, o fechamento do balanço energético da superfície e o orçamento de calor nas observações de campo requerem mais atenção. Finalmente, os desafios de dados enfrentados pela meteorologia também aumentarão, devido em particular à maior disponibilidade de observações profissionais e de crowd-sourced (Muller et al., 2013).

Challenge 3: Air Pollution Chemistry

The key components of a program to address the most important challenges for researchers in air pollution chemistry may be described under the following three headings: (1) Poluição e saúde no interior: dada a tendência das pessoas para permanecerem em grande parte dentro de casa para o trabalho, escola e lazer, é importante estudar o impacto da poluição do interior na saúde humana, como resultado das emissões internas e/ou da infiltração do ar ambiente externo. Nos últimos anos, os processos que regem a qualidade do ar interior mudaram marcadamente como resultado de modificações nas normas de construção com o objectivo de uma melhor eficiência energética. Existem ainda consideráveis incógnitas em relação às fontes, compostos e processos que afectam a qualidade do ar interior e o seu impacto no bem-estar humano. (2) Poeira e qualidade do ar: com a melhoria contínua das características das emissões dos veículos, os efeitos da poluição por aerossóis nas áreas urbanas podem agora ser cada vez mais atribuídos a outras fontes de emissões, tais como o transporte de poeira natural e a ressuspensão da poeira das estradas, principalmente nas áreas do sul da Europa com climas mais secos em áreas afectadas pelo transporte de poeira dos desertos do norte de África. A compreensão destes impactos e a aplicação de medidas de mitigação (para a ressuspensão de pó de estrada) são ambas áreas de investigação futura. (3) Queima de biomassa: com as alterações climáticas e a preocupação com o impacto e o custo dos combustíveis fósseis, a queima de biomassa é agora comummente utilizada para aquecimento doméstico na Europa. Em muitas áreas urbanas, principalmente no Inverno, a biomassa doméstica tem sido considerada uma importante fonte de poluição atmosférica por partículas. Está a ser dada alguma ênfase à avaliação do impacto da queima de biomassa em termos de qualidade do ar urbano, bem como ao estudo das características de emissão dos equipamentos e instalações de queima de biomassa, bem como ao impacto da composição das partículas queimadas de biomassa na saúde humana.

Challenge 4: Aerosol-Cloud Interactions

Não há dúvida que as partículas de aerossol estão activamente envolvidas na formação de nuvens através do fornecimento de núcleos de condensação de nuvens (CCN) e núcleos de gelo (IN). Tem sido sugerido que mudanças nas concentrações de aerossol irão alterar a vida útil das nuvens e a eficiência da precipitação e, portanto, afetar o forçamento radiativo do sistema terrestre. Grandes esforços têm sido dedicados a este tópico, resultando em rápidos desenvolvimentos em termos de conhecimento, metodologias e técnicas (por exemplo, Wang, 2013). Apesar deste progresso, ainda é difícil tirar quaisquer conclusões significativas sobre os efeitos climatológicos dos aerossóis à escala regional e global. Em contraste, as interacções aerossol-cloud em escalas moleculares e microfísicas têm-se tornado cada vez mais previsíveis e a sua modelação mais determinista. Parece haver uma lacuna significativa no nosso conhecimento entre os processos em pequena escala (molecular e microfísico) e os eventos em larga escala (regional/global) nesta área. Sugerimos que ainda há uma necessidade de sintetizar resultados em múltiplas escalas para identificar claramente os problemas envolvidos e melhorar o atual conjunto de ferramentas e metodologias necessárias para fechar a lacuna.

Challenge 5: Weather Prediction

Phenomena descritos pelos fluidos são complexos, no entanto, o aparecimento das leis do movimento dos fluidos é enganosamente simples, as equações que regem essas leis são não lineares, o que implica múltiplos (e difíceis de entender) tipos de efeitos de feedback. A atmosfera e a evolução temporal do seu estado não se libertam deste problema. Em qualquer caso, uma das bandeiras do corpo de pesquisa em ciências atmosféricas nas últimas décadas tem sido o estabelecimento de previsões confiáveis na faixa de 2-7 dias, em vista dos enormes benefícios econômicos potenciais; no entanto, tais técnicas ainda sofrem de problemas derivados da coleta e utilização de dados, que são em sua maioria coletados sobre os oceanos. A utilização de novos dados de satélites e de sensores remotos em terra poderia ajudar neste aspecto, assim como a manutenção correcta de conjuntos de dados tradicionais, tais como o agora obsoleto que é a rede global rawinsonde. As melhorias nas medições do vapor de água e das propriedades da superfície terrestre também são prioritárias. Os desafios físicos continuam a ser os mesmos que eram quando definidos há mais de uma década (National Research Council, 1998), nomeadamente: uma melhor compreensão da natureza da interacção entre os processos atmosféricos e de superfície terrestre, o ciclo hidrológico, a dinâmica da convecção profunda, o papel da tropopausa na dinâmica atmosférica, um novo impulso no desenvolvimento de modelos de mesoescala e uma melhoria das parametrizações utilizadas nos modelos meteorológicos e climáticos baseados em ondas. Um exemplo da importância destas melhorias é o arrastamento orográfico das ondas de gravidade, cuja parametrização nos modelos de previsão do tempo e do clima precisa de ser actualizada dada a importância de alguns efeitos demonstrados como sendo importantes em pesquisas recentes. Entre eles está o impacto do cisalhamento do vento tanto no arrasto superficial como no fluxo do momento da onda (e sua dissipação), e o arrasto produzido por ondas de sotavento retidas, cuja energia se propaga, e é dissipada, a jusante da sua fonte e não para cima. As implicações destas ondas de gravidade orográficas para a turbulência de ar limpo (CAT), um perigo muito sério para a aviação, não foram quantificadas de forma satisfatória. A maioria dos métodos de previsão CAT usam preditores empíricos não explicitamente ligados a ondas de gravidade, mas é bem conhecido que a cisalhamento direcional (que é onipresente na natureza) leva à quebra da onda de gravidade, que pode ser uma importante fonte de CAT. O aprisionamento das ondas de gravidade no sopé das montanhas ou colinas leva à formação de circulações instáveis, turbulentas e fechadas, conhecidas como rotores, que são também um grave perigo para a aviação. Nosso entendimento das condições necessárias para o início destas estruturas de fluxo é incompleto, e sem dúvida beneficiará dos recentes avanços na teoria das ondas de montanha.

Challenge 6: Sensoriamento Remoto para Meteorologia e Clima

O sensoriamento remoto terrestre e por satélite proporcionou grandes avanços na nossa compreensão tanto do clima como dos sistemas climáticos, bem como das mudanças nestes (Yang et al., 2013), ao permitir a quantificação dos processos e estados espaço-temporais da atmosfera, terra e oceanos. O uso intensivo de imagens de satélite em meteorologia, e padrões espaciais de elevação do nível do mar, fornecem bons exemplos disso. A duração das séries temporais em questão é normalmente demasiado curta para permitir a sua utilização para captar tendências de longo prazo de muitas variáveis climáticas, pelo que um grande desafio é prolongar a duração destas séries temporais. A detecção remota dos ciclos regionais e globais de nuvens e precipitação também é necessária para o monitoramento climático e a verificação dos resultados do modelo. Há dois desafios notáveis na física atmosférica; o primeiro é conceber estudos inovadores centrados na microfísica das nuvens e na relação com a física da descarga atmosférica, juntamente com todos os aspectos relacionados com a observação e medição da electricidade atmosférica, e o segundo é desenvolver novos estudos de radar e radiómetro passivo para nos ajudar a compreender a estrutura das nuvens e da precipitação, com especial ênfase nos processos de chuva quente tropical, precipitação luminosa a meia latitude, queda de neve, teor de água líquida e gelada nas nuvens, água precipitável e perfis de vapor de água. Um desafio hidrometeorológico é ampliar e melhorar nossas observações e modelagem das partes atmosféricas e continentais do ciclo da água, a fim de permitir seu fechamento (por exemplo, áreas montanhosas, regiões polares).

Challenge 7: O Ramo Atmosférico do Ciclo Hidrológico

Dentre os muitos desafios relacionados ao ciclo hidrológico, aqueles que se preocupam com o transporte atmosférico de umidade devem receber menção especial por causa de sua existência inteiramente dentro do âmbito das ciências atmosféricas. Aqui consideramos o mais premente dos desafios descritos na recente revisão de Gimeno et al. (2012). O diagnóstico de fontes de humidade tornou-se uma ferramenta de pesquisa importante na análise de eventos extremos (por exemplo, cheias, secas), e pode ser pensado como uma ferramenta básica para avaliações climáticas regionais e globais; é, portanto, necessário verificar a consistência das diferentes abordagens usadas para estabelecer relações entre fonte e sumidouro para o vapor de água atmosférico. De fundamental importância é a melhoria da nossa compreensão de como as fontes de umidade afetam os isótopos de precipitação; isto é importante em si mesmo, mas também é crucial para interpretar corretamente os arquivos paleoclimáticos mais proeminentes, incluindo núcleos de gelo e sedimentos das cavernas. Outro desafio é a melhor compreensão do papel do transporte de umidade como principal fator responsável pelos extremos meteorológicos (chuvas fortes através de estruturas como jatos de baixo nível e rios atmosféricos, ou seca através da diminuição prolongada do fornecimento de vapor de água das regiões produtoras de umidade). Para avaliar se as regiões de fontes de umidade permaneceram estacionárias nos últimos anos, é necessário entender os efeitos dos principais modos de variabilidade climática sobre a variabilidade das regiões de umidade, e como o transporte da umidade ocorre em um clima em mudança. Estas questões não resolvidas constituem um desafio substancial para os cientistas climáticos.

Challenge 8: Interacção das escalas na simulação climática

A interacção entre várias escalas espaciais e temporais resulta no que chamamos clima. (Lorenz 1967) foi um dos primeiros a enfatizar a importância das interações de escala para explicar algumas das características chave do clima observado em várias regiões. O carácter não linear da maioria destas interacções de escala tornou-as difíceis de modelar, e como consequência isto ainda constitui uma fonte de incerteza nas simulações climáticas. Alguns métodos empíricos foram propostos para reduzir a produção dos modelos climáticos, mas estes ainda são algo controversos (Pielke e Wilby, 2011), particularmente quando usados para interpretar projeções climáticas de longo prazo em uma escala regional. O uso de condições de fronteira de um modelo global no qual são previstas interacções acopladas entre todos os principais subsistemas do sistema climático (atmosfera, oceano, biosfera e criosfera) tem uma série de problemas como a retenção de erros climáticos em larga escala nos modelos globais, a sua grande dependência das condições de fronteira lateral ou a falta de interacção bidireccional entre os modelos regionais e globais. O papel dos processos atmosféricos de pequena escala, geralmente em fenômenos de curta duração, torna-se altamente relevante particularmente em regiões tropicais, onde os sistemas convectivos de mesoescala interagem com as circulações de grande escala, e são de importância crucial no ciclo hidrológico. Por exemplo, os ciclones tropicais podem resultar em anos muito húmidos ou secos em algumas regiões, dependendo da sua actividade e trajectória. Este elemento é bastante difícil de simular em modelos climáticos, mas a sua contribuição para o clima regional é indubitável e deve ser melhor entendida a fim de incorporá-lo em sistemas de modelagem climática.

Challenge 9: Eventos extremos

Nos últimos anos os efeitos dos diferentes fenômenos meteorológicos e climáticos ganharam importância aos olhos da mídia e da população como um todo, em parte como consequência de eventos extremos como as ondas de calor na Europa (2003), Rússia (2010), ou EUA (2011), ou os furacões mortais e extremamente caros que atingiram áreas densamente povoadas nos últimos anos, incluindo Nova Orleans (Katrina, 2005) e a área metropolitana de Nova York (Sandy, 2012). Da mesma forma, períodos prolongados de seca têm causado graves problemas aos produtores de cereais, inclusive no sul da Austrália (2002-2010), ou no sudoeste dos EUA, ou através do aumento da probabilidade de incêndios florestais (Amazónia, 2005 e 2010). Alguns desses eventos extremos estão intimamente relacionados com a ocorrência de padrões de circulação vigorosos como a Oscilação do Atlântico Norte (NAO), ou com o bloqueio e o deslocamento de pistas de tempestade e do fluxo de jatos. Por definição, os extremos são raros em uma série temporal, portanto, há uma necessidade premente, ligada à análise de eventos extremos, de estender a série climática o máximo possível, e por esta razão as reconstruções do clima passado baseadas em dados instrumentais, históricos e de proxy continuam a ser indispensáveis. O recente relatório do IPCC (IPCC, 2013) mostra que este interesse crescente em eventos extremos climáticos deve ser abordado no contexto mais amplo da mudança climática, dado que as mudanças esperadas nos climas globais, regionais e mesmo locais são mais prováveis de serem sentidas através de mudanças na magnitude e frequência de eventos extremos.

Challenge 10: Solar Influence on Climate

Estima-se que cerca de 8% das recentes mudanças climáticas globais podem ser atribuídas à variabilidade solar, mas este número deve ser tratado com cautela, dado que vários aspectos da forçagem solar e os mecanismos que ligam a variabilidade solar ao sistema climático da Terra permanecem mal compreendidos (Gray et al, 2010). Com a crescente complexidade e sofisticação dos modelos atmosféricos e climáticos, e a necessidade de maior precisão das previsões feitas, é importante poder incluir um quadro mais completo da forçagem solar nestes modelos. As fontes de forçamento solar podem ser divididas em componentes movidos por radiação e por partículas. O foco científico para o forçamento solar de impulso radial está atualmente mudando das respostas globais para as respostas regionais, como resultado das variações na irradiação solar espectral (SSI). Uma série de questões permanecem sobre a natureza das variações no SSI, como estas devem ser implementadas nos modelos, e como elas mudarão em futuros ciclos solares se o sol se afastar do seu atual máximo de atividade solar em direção a um novo mínimo maléfico. O componente impulsionado por partículas é ainda dividido em efeitos de precipitação de partículas energéticas (EPP) e raios cósmicos (CR). O efeito EPP influencia inicialmente a estratosfera superior e a termosfera inferior. Embora os efeitos químicos do PPE na atmosfera sejam agora bem compreendidos, há uma necessidade premente de compreender mais efeitos dinâmicos, bem como os potenciais mecanismos e magnitudes em termos do clima da Terra. A potencial influência do PPE no clima é uma área de pesquisa emergente, e é uma área que está assumindo uma maior importância agora que os modelos climáticos estão se estendendo para altitudes mais altas que são mais diretamente influenciadas pelo PPE. O PPE proporciona uma das principais vias de transporte desde a menor termosfera até à estratosfera e mais além, até à troposfera através do acoplamento estratosfera-troposfera nas regiões polares. O efeito do PPE pode também tornar-se mais pronunciado num futuro próximo, à medida que a forçagem radiativa se torna mais influenciada por uma mudança para tipos mínimos de actividade solar. O componente impulsionado pela RC é actualmente considerado como o menos bem compreendido das fontes de forçamento solar, embora estejam a ser feitos esforços de investigação internacional dedicados para abordar esta questão. Resultados ressentidos têm sugerido que, embora as RCs possam estimular a nucleação do aerossol, em termos globais estes efeitos não são grandes, e permanecem questões sobre os mecanismos físicos que ligam as RCs e a nucleação do aerossol.

Challenge 11: Urban Weather and Climate

The urban heat island (UHI) is perhaps the best known effect of the presence of cities on the local microclimate; the air temperature in a city at night can be much higher (up to 10°C or more) than in the surrounding area. O clima urbano, um ramo emergente da meteorologia há 20 anos, é agora um campo de pesquisa maduro. Abrange uma série de tópicos, desde estudos teóricos fundamentais até pesquisas mais aplicadas, tendo como objetivo principal a aplicação do conhecimento climático para o melhor desenho das cidades ao redor do mundo. A micrometeorologia sempre foi uma área central de interesse em estudos urbanos, devido às escalas envolvidas. Os instrumentistas de climatologia urbana têm sido pioneiros no desenvolvimento contínuo de instrumentação e análise de processos desde os anos 70. Os processos que levaram à formação da IUH (na sua maioria de natureza física devido à forma 3D e aos materiais que compõem o tecido urbano), surgiram a partir destes primeiros estudos. Hoje em dia, subsistem vários desafios em relação à medição desta camada de fronteira urbana bastante complexa. Novos instrumentos de teledetecção de curto alcance estão a ser utilizados para obter uma visão especializada dos processos físicos envolvidos. Tais desenvolvimentos instrumentais irão inevitavelmente continuar. O clima urbano só foi abordado pelos modeladores atmosféricos quando os modelos atmosféricos atingiram uma resolução suficientemente alta (alguns km) para poderem representar explicitamente as cidades. Os primeiros modelos representando as trocas de energia e água entre as superfícies urbanas e a atmosfera surgiram no início dos anos 2000 (ver revisões em Masson, 2006 e Martilli, 2007), e estão agora a ser cada vez mais utilizados em modelos numéricos de previsão meteorológica. As primeiras intercomparações internacionais de modelos urbanos (Grimmond et al., 2010, 2011) discutiram alguns meios óbvios de melhoria, por exemplo, na representação da vegetação urbana. Além disso, aproximadamente 15 anos depois dos modelos atmosféricos, os modelos climáticos regionais têm agora resoluções espaciais compatíveis com as escalas urbanas. Isto, naturalmente, apresenta um novo desafio na representação adequada das cidades nos modelos climáticos. Da mesma forma, os estudos de meteorologia urbana não podem se limitar à física ou à química, mas devem levar em conta o comportamento dos habitantes. Embora já existam estudos biometeorológicos, especialmente em termos de níveis de conforto humano, as interações entre o mundo meteorológico e o social, tanto em termos de conforto humano quanto em termos de uso de energia dependente da meteorologia, por exemplo, ainda constituem um dos principais desafios para os meteorologistas urbanos.

Desafio 12: Esgotamento e Recuperação da Ozona

Embora em muitas regiões ainda se observem mínimos de concentração de ozônio estratosférico, sinais de recuperação começam a ser percebidos. Na estratosfera antártica, a concentração de halocarbonos atingiu um pico por volta do ano 2000 e depois começou a diminuir. As projecções actuais sugerem que a recuperação completa poderá ocorrer por volta do ano 2050. Isto significa que um dos maiores desafios é garantir a monitorização contínua tanto do ozono como dos gases que empobrecem a camada de ozono, de modo a garantir a recuperação. As melhorias na compreensão básica dos processos, e suas simulações, são especialmente importantes no contexto de um clima em mudança. Ambas as direcções devem ser simuladas, ou seja, como um clima em mudança irá afectar a camada de ozono, e como a recuperação do ozono irá afectar o tempo e o clima. Os chamados modelos de química climática (CCMs, Lamarque et al., 2013) parecem ser de importância fundamental neste caso.

A lista anterior de desafios para os próximos anos na investigação das ciências atmosféricas relaciona-se apenas com algumas das questões mais urgentes não resolvidas e, naturalmente, permanece incompleta. Os desafios aqui descritos não devem ser considerados como os prováveis tópicos principais de pesquisa em Frontiers in Atmospheric Science; qualquer trabalho interessante ligado ao guarda-chuva da ciência atmosférica deve encontrar acomodação na revista.

Acknowledgments

Suportado em parte pelo MINECO (Espanha), projeto TRAMO e FEDER. A equipe de Editores Associados da Frontiers in Atmospheric Science fornece comentários úteis.

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