aula 03

ACA 0415 - 2007O CLIMA DA TERRA: Processos, Mudanças e Impactos

Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP

O CLIMA DA TERRA:

Processos, Mudanças e Impactos

Prof. OSWALDO MASSAMBANI, Ph.D.Professor Titular

[email protected]

Prof. TÉRCIO AMBRIZZI, Ph.D.Professor Titular

[email protected]

Departamento de Ciências Atmosféricas Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas

Universidade de São Paulo



A origem da atmosfera da Terra

A evolução da temperatura na Terra

Variabilidade recente da temperatura global na Terra

CO2 e Temperatura

Aula 03



A origem da atmosfera da Terra



EVOLUÇÃO DA ATMOSFERA

A atmosfera é um envelope de gases que envolvem a Terra. Éum reservatório de componentes químicos utilizado pelos sistemas vivos. A atmosfera não possui fronteira, simplesmente se esvai em direção ao espaço.

A sua parte mais densa (97% da massa) encontra-se dentro dos 30 km da superfície da Terra (da mesma ordem de grandeza da expessura da crosta continental).



A pressão atmosférica possui forma similar: 14.7 psi (105N/m2) na superfície, caindo exponencialmente com a altura.



Introdução

“A Terra recém formada teria sido muito diferente e inóspita comparada com a Terra atual”

Quente: O calor primordial, colisões e compressão durante o processo de acresçãoe decaimento de elementos radiativos de curta-vida.

Consequências – Vulcanismo constante, temperatura superficial muito alta para a água líquida ou para a vida como nós a conhecemos, superfície não rígida e fina com crosta basáltica instável.

Composição: provavelmente predominando (H2, He)

Resfriamento: Calor primordial dissipado para o espaço. Condensação da água (chuva), acumulação da água superficial. Acumulação da nova atmosfera devido àliberação de gases de origem vulcânica.

Resultando: Condições apropriadas para a evolução da vida



A PRIMEIRA ATMOSFERA

Composição – Provavelmente H2, He

Esses gases são relativamente raros na Terra comparados a outras localidades no universo e possivelmente foram perdidos para o espaço no inicio da história da Terra, devido ao fato de que a gravidade terrestre não ser intensa o suficiente para reter os gases mais leves.

A Terra não tinha ainda um núcleo diferenciado (sólido/liquido) responsável pelo campo geomagnético que constitui hoje a Magnetosfera.

Tão logo o núcleo ficou diferenciado, os gases mais pesados foram retidos.



A SEGUNDA ATMOSFERA

Produzida através da emissão de gases da atividade vulcânica

Os gases foram produzidos provavelmente de forma similar aos criados através da atividade vulcânica moderna.

(H2O, CO2, SO2, CO, S2, Cl2, N2, H2) and NH3 (amônia) e CH4(metano).

Não havia nessa fase O2 livre (esse gás não é encontrados entre os gases vulcânicos).

A formação do Oceano – Com o esfriamento da Terra, a Água produzida através da atividade vulcânica, pode passar a existir na fase líquida, permitindo a formação dos oceanos durante o Pré-cambriano (Antigo Arqueano) - entre 4 e 2.5 bilhões de anos).



Vulcão Santa Helena



Uma importante questão é como foi processada a adição do O2 livre na atmosfera, que hoje é da ordem de ~21% .

Para isso é importante revisitarmos o ciclo do Oxigênio.

A produção do Oxigênio:

Dissociação fotoquímica – quebra da molécula de água via ultravioleta – produziu aproximadamente 1 a 2% dos níveis atuais.

Nesses níveis o O3 (Ozônio) pode ser formado para criar a camada que protege a Terra do UV.

Fotosíntese - CO2 + H2O + luz solar = compostos orgânicos + O2 – produzido através de cianobactérias e eventualmente plantas - fornecendo o restante do O2 para a atmosfera.

As cianobactérias são microorganismos que tem estrutura celular que corresponde a célula de uma bactéria. São fotossintetizantes, apresentando fotossistemas mas sem estar organizados em cloroplastos, como as plantas. Algumas espécies são fixadoras de Nitrogênio atmosférico (N2) e outras produtoras de toxinas.

As cianobactérias são indivíduos muito antigos e os seus fósseis são datados de períodos muito distantes no pré-cambriano. Uma grande flexibilidade a adaptações bioquímicas, fisiológicas, genéticas e reprodutivas, garantiram aos organismos a sua perpetuação na superfície terrestre e a sua distribuição em diversos ambientes terrestres, aquáticos (de rios, estuários e mares) e na interface úmida da terra com o ar (rochas, cascas de árvores, paredes, telhados, vidros, etc.).



São os fósseis mais velhos conhecidos. Datam de mais de 3 bilhões de anos. São estruturas coloniais formadas por cianobactérias fotosintetizadoras e outros microbios.

Estromatólitos



O consumo do Oxigênio:

Oxidação dos materiais na superfície do solo (cedo) Respiração animal (muito depois) Queima de combustíveis fósseis (muito, muito depois)

A evolução das bactérias produtoras de oxigênio, alterou o balanço de gases, resultando na perda do metano e na elevação dos níveis de oxigênio.

Muito provavelmente, a pequena quantidade de oxigênio presente no Arqueano produzido pela cianobacteria, foi consumida pelo processo de oxidação. Com a oxidação das rochas da superfície, mais oxigênio pode ser mantido livre na atmosfera.

Durante o Proterozoico (2.5 bilhões a 500 milhões de anos) a quantidade de oxigênio livre na atmosfera aumentou de 1 a 10 %. A maior parte liberado pelas cianobactérias, que tiveram um abundante aumento conforme evidências de fósseis com 2.3 Ga.

Os níveis presentes provavelmente foram alcançados em períodos mais recentes que ~400 Ma no período Pharenozoico.

O oxigênio atmosférico foi acumulado como um elemento descartado pelos organismos fotosintéticos e pelos processos de encobrimento pelo solo de matéria orgânica, evitando assim o decaimento superficial. A figura a seguir ilustra esses processos.



500 Milhões de anos



Visitar University of Michigan's Introduction to Global Change web site



Resumo dos processos produtores e usuários de Oxigênio

ProcessosProdução (+) / Uso (-) (kg/ano)

photochemistry + 10 8

weathering of rock - 10 11

volcanism - 10 4

photosynthesis + 10 14

respiration/decay - 10 14

burial of carbon from organisms + 10 11

recycling of buried sediments - 10 11

fossil fuel combustion - 10 12



Os 10 elementos mais abundantes na Crosta Terrestre

O = 49,5 %Si = 25,7 %Al = 7,5 %Fe = 4,7 %Ca = 3,5 %

Na = 2,6 %K = 2,4%

Mg = 1,9%H = 0,9%Ti = 0,6%

Como a crosta tem sofrido a ação da exposição à atmosfera por tantos anos, é natural que o Oxigênio seja o mais abundante: todos os outros elementos formam óxidos!



Planetas Internos ou Terrestres



Marte e Venus são os dois planetas com maior quantidade de CO2 em suas atmosferas.A atmosfera de Venus contém 96.4% de CO2 enquanto Marte contém 95.32%.

Diferentemente da Terra possuem climas estáveis e muito previsíveis.

O CO2 e os Planetas



O Efeito Estufa Planetário



• A fina crosta da Terra deslizasobre uma camada elástica de rocha denominada manto.

• Abaixo do manto há o núcleoexterno líquido composto porferro e níquel.

• No centro está o núcleo internosólido também composto porferro e niquel.

• Movimentos dentro do manttocausam um arrastro da crosta.

• A crosta é quebrada em placasque quando se deslocamcausam os terremotos, vulcõese formam as cordilheiras de montanhas.

O interior da Terra



Origem do Campo Magnético

Campos Magnéticos são produzidos pelo moviemento de cargas elétricas.

O campo magnético da Terra está associado com as correntes elétricas produzidas pelo acoplamento dos efeitos convectivos e de rotação na região de seu núcleo externo líquido composto por ferro e níquel.

Esse mecanismo é denominado de “Efeito Dínamo”

As rochas que são formadas a partir dessa matéria “derretida” contém indicadores do campo magnético no momento de sua solidificação.

O estudo desse “fóssil magnético” indica que o campo magnético da Terra reverteu (o polo norte e o polo sul são intercambiados) numa escala de cerca de milhões de anos. Esse é um dos mecanismos ainda não bem entendido.



A Magnetosfera Terrestre

O campo MHD



A Terra e a Lua vista de Marte



Marte Venus

Earth

Perfil vertical típico da temperatura da Terra – Marte e Venus



A Ionosfera Terrestre



Os Gases Constituintes da Atmosfera Terrestre Atual



Estrutura vertical da Atmosfera



A EVOLUÇÃO DA TEMPERATURA DA TERRA



Registros climáticos no Quaternário



A COBERTURA DE GELO



Instabilidade climática durante a última glaciação. Números indicam a menor refletância dos sedimentos na bacia tropical de Cariaco. No gráfico inferior é indicada as sondagens classificadas segundo os isótopos do oxigênio.

Apesar da natureza distinta dos dados, se observa um elevado grau de coincidência temporal entre as duas séries – polar e tropical.

Estrutura da bacia marina de Cariaco, na costa venezuelana.Excelente área para a pesquisa paleoclimática.

Variabilidades regionais



Número de manchas solares desde o ano de 1600 (número de Wolf mensal). É identificado o mínimo de Maunder

O último ciclo solar - de número 23, teve início em Maio de 1996 e se completará e 2006.



Correlação entre a evolução do número de manchas solares e a radiação solar no topo da atmosfera (constante solar) durante os últimos ciclos solares –1978 a 2002.

Medidas via satélite ACRIM.

Parece ter havido um ligeiro aumento dos mínimos de radiação.



Evolução da temperatura global no último milênio simulado numéricamente através de modelo que considera as forçantes radiativas provocada pelas variações da atividade solar, a concentração dos gases de efeito estufa e os aerossóis atmosféricos de procedência vulcânica.

São indicados o ótimo climático Medieval, com temperaturas semelhantes às atuais, ao período da pequena Idade do Gelo, com picos de temperatura mínima nos mínimos da atividade solar de Spoerer, Maunder e Dalton.



Variação da atividade solar durante o pultimo milênio segundo Bauer (azul) e Lean(vermelho), a partir das variações das manchas solares e das concentrações de Carbono14 e Berílio10. Essa evolução indica uma suposta variação da constante solar.



Manchas Solares e conexões climáticas



Em geral se conhece muito mais da história da Terra em seus últimos 500 milhões de anos do que seus 4 bilhões de anos anteriores. Examinando as mudanças climáticas tem-se podido considerar como as interações entre as placas tectônicas impactaram o sistema climático.

A litosfera – a camada externa rígida da Terra – esta quebrada em 12 maiores placas tectônicas que ao longo de milhares de milhões de anos tem migrado ao redor do planeta. Utilizando dados paleoclimáticos tem sido possível reconstruir onde as várias placas e continentes estavam localizado em diferentes momentos do passado.

Esta figura mostra estimativas do nível do mar ao longo de mais de meio bilhão de anos da história geológica. As causas dessas variações são complexas e não estão sempre associadas diretamente com mudanças na temperatura global, apesar que altos níveis refletem temperaturas mais quentes.

Por exemplo, 100 milhões de anos atrás a temperatura da Terra estava entre 20°-40°Celsius mais quente nas regiões polares apesar de estar somente alguns graus mais quente ao redor do equador. Evidências sugerem que durante os quentes períodos do Cretaceous os niveis de dióxido de carbono foram muito altos. Modelos indicam ter havido concentrações entre 4 e 6 vezes mais que os níveis pré-industriais.

Um abrupto evento cerca de 65 milhões de anos atrás pode ter sido causado por um impacto de um asteróide que atingiu a região de Yucatan no México, resultou na maior extinção de massa do Cretaceous-Terciário e causou um esfriamento e outros impactos ambientais que levaram à extinção de 70% das espécies e de 40% de todos os gêneros vivos daquele tempo, terminando a era dos dinossauros. A maior extinção de massa ocorreu por cerca de 251 milhões de anos passados no fim do Permiano, estimando-se que 85% das especies marinhas e 70% dos vertebrados terrestres foram extintos.



Magnitude e localização de anomalias da temperatura atmosférica em 2003



CO2 e a Temperatura



Durante os últimos 400.000 anos o clima da Terra tem sido instável com mudanças muito significativas, indo muito rapidamente desde períodos muito quentes a eras do gelo. Essas variações bruscas sugerem que o clima é muito sensível às forçantes externas e internas. É evidente a correlação entre o conteúdo de CO2 na atmosfera e a temperatura. Os dados apontam que clima segue uma trajetória não linear com rápidas e dramáticas mudanças quando os níveis dos gases de efeito estufa alcançam um ainda não conhecido ponto de gatilhamento.



A evolução recente da concentração de CO2 na atmosfera



Uma geografia da distribuição das emissões industriais de CO2



Uma geografia da distribuição das emissões de CO2 oriundas do uso do solo



Emissões oriundas de alguns países

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