O Clima da Terra: Processos, Mudanças e Impactos

Transcrição

1 O Clima da Terra: Processos, Mudanças e Impactos Profa. Marcia Yamasoe - marcia.yamasoe@iag.usp.br Estagiária PAE Kátia Barros katia.barros@iag.usp.br Imagem de fundo: - Smithsonian National Museum of Natural History

2 Responda: Em que curso está matriculado? Em qual semestre, de quantos semestres? Por que motivo se matriculou na disciplina? ( ) curiosidade; ( ) créditos; ( ) outro. Qual? Na sua percepção (e não opinião), o clima está mudando? Consegue exemplificar? Pode ser relato de um membro da família: pai, avô. Dos seus conhecimentos prévios, o que pode causar mudanças climáticas? Discuta brevemente.

3 Datas das provas 4 de novembro (quarta-feira) 2 de dezembro (quarta-feira) Substitutiva: 9 de dezembro (quarta-feira)

4 O Clima da Terra: Processos, Mudanças e Impactos Mudanças climáticas História climática da Terra Variabilidades e Tendências As mudanças climáticas desde o Pleistoceno Causas das mudanças climáticas Os efeitos do homem sobre o clima Impactos climáticos Nos ecossistemas Na saúde

5 Vídeos sobre Paleoclimatologia (para a próxima segunda-feira) Paleoclimatologia espeleologia (Adriano João de Moraes a Fabiano R. Dias Cheque) Paleoclimatologia dendrocronologia ou análise de crescimento de anéis de árvores. (Felipe da Silva Freitas a Livia Sakimoto Shie) n9yahejluvxqshsbxwsbqek1bzq&index=46 Paleoclimatologia sedimentos do fundo dos oceanos (Lukas Makoto Miura a Vinicius A. do Nascimento)

6 História climática da Terra Alternância entre climas extremamente quentes (efeito estufa) e extremamente frios (eras glaciais)

7 Terra 4,6 bilhões de anos Cresceu devido ao impacto de minúsculos planetas Presença de oxigênio e hidrogênio (ingredientes necessários para formar água!) em todo o universo Na Terra, a água estava presente em seu manto e superfície, à medida que a Terra se resfriava.

8 A formação da Lua Um impacto mais violento varreu a atmosfera e removeu grande parte da água. A Lua foi formada pelos estilhaços de rocha.

9 Sol Atividade inicial era ~ 25-30% menor que atualmente e, gradualmente a radiação emitida foi aumentando.

10 (Ramstein, 2011)

11 Sol Se a atmosfera terrestre tivesse a mesma composição química que a atual, a Terra seria coberta por gelo nos primeiros 2 bilhões de anos de sua existência => paradoxo do sol fraco

12 Sol Estudos geológicos mostraram que pelo menos desde 3,8 bilhões de anos atrás, já existiam oceanos líquidos Primeira glaciação há ~ 2,7 bilhões de anos.

13 Atmosfera primitiva H 2 e He, que escapavam facilmente para o espaço Rica em CO 2 + CO + NH 3 => efeito estufa!

14 Temperatura Temperatura da Terra na escala de tempo geológica Pico quente do Cretaceo Temperatura média global no presente Período medieval quente Ótimo do Holoceno Idades do gelo do Pleistoceno Aquecimento do século XX Intervalo de projeções climáticas desde 1970 Pequena idade do gelo Último máximo glacial Anos antes do presente ka milhares de anos ma milhões de anos Tempo geológico Anos no futuro (Adaptado de Bryant, E. 1997)

15 Escala de tempo geológica Éons -> Eras -> Períodos -> Épocas -> Idades

16 Comissão Internacional sobre Estratigrafia da União Internacional de Ciências Geológicas reconhece em seu Quadro Estratigráfico Internacional três éons (do Grego aion - era): Fanerozóico: durou cerca de 550 milhões de anos e engloba o período de tempo em que os animais com conchas que se fossilizariam eram abundantes. Proterozóico: do Latim ("primeira vida") está compreendido entre 2,5 bilhões e 542 milhões de anos e compreende o período em que houve acúmulo de oxigênio na atmosfera (atribuído às algas azuis). Arqueano: compreendido entre 3,85 bilhões de anos e 2,5 bilhões de anos atrás, aproximadamente, marcada pela atividade vulcânica e fluxo de calor três vezes maior que o atual. Outras entidades reconhecem um quarto período anterior ao Arqueano: Hadeano: Hades, deus do inferno na mitologia grega, inspirou o nome dado a este período que vai da formação da Terra (4,5 bi de anos, aproximadamente) até o início do processo de formação das rochas, que marcou o início do período Arqueano.

17 Antes do Fanerozóico, um resumo: A superfície da Terra oscilou entre as fases líquida e sólida História geológica é cronometrada quando as primeiras rochas sólidas se formaram. É muito provável que elas tenham se formado há mais de 3,8 bilhões de anos, mas a erosão e o movimento das placas tectônicas destruíram as rochas primordiais, apagando suas evidências. Os fósseis mais antigos datam de ~ 3,5 bilhões de anos e são constituídos por microfósseis de bactérias

18 Arqueano ~ 3,85 bilhões e 2,5 bilhões de anos atrás Formação da crosta terrestre Mais antigas formações de relevo Fonte:

19 Proterozóico 2,5 bilhões e 542 milhões de anos atrás Intensa atividade vulcânica Acúmulo de oxigênio na atmosfera Camada de ozônio Primeiras formas de vida Fonte:

20 As Eras Geológicas do Fanerozóico e suas subdivisões:

21 Éon Fanerozóico Surgimento da maioria dos organismos macroscópicos algas, fungos, plantas e animais ~ milhões de anos atrás É subdividido em Era Cenozóica Era Mesozóica Era Paleozóica

22 Era Paleozóica Conjuntos montanhosos Grandes florestas Glaciações Primeiros insetos e répteis Fonte:

23 Era Mesozoica Intenso vulcanismo Sedimentação dos fundos oceânicos Divisão da Pangeia Surgimento de grandes répteis e mamíferos Fonte:

24 Terciário: intenso movimento da crosta terrestre -> Alpes, Himalaia e Andes Aves, mamíferos e primatas Quaternário: Grandes glaciações Atual formação dos continentes e oceanos Surgimento do homem Era Cenozóica

25 Ma 0, Formação dos Himalaias Formação dos Alpes Primeiros estágios das Montanhas Rochosas Ruptura da Pangeia, abertura do Atlântico Idade dos mamíferos Idade dos dinossauros Consolidação dos continentes do supercontinente Pangeia primeiras plantas terrestres peixes primitivos Primeira abundância de invertebrados com concha Aumento da concentração atmosférica de O 2 Mais antigas rochas e formas de vida Formação da Terra Adaptado de Graedel & Crutzen (1993)

26 Latitude de remanescentes de gelo v/geology/nationalfos silday/climate_change _earth_history.cfm Climas mais frios

27 Latitude de remanescentes de gelo: ~ 40º

28 Clima global muito mais quente que o atual. Era na qual a Pangeia começou a se quebrar, e os continentes começaram a se mover para as posições atuais

29 Hoje Latitude de remanescentes de gelo Era Cenozóica: começou com clima mais quente, há aproximadamente 65,5 milhões de anos

30 Atmosfera: da formação da Terra até os dias de hoje

31 A atmosfera é um envelope de gases que envolvem a Terra. É um 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) encontrase dentro dos 30 km da superfície da Terra (da mesma ordem de grandeza da espessura da crosta continental). Dióxido de carbono nitrogênio argônio Todos os outros oxigênio

32 1ª Atmosfera Espaço Fonte:

33 1ª Atmosfera Presença majoritária de H 2 e He Gases relativamente raros na Terra se comparados a outras localidades do universo Possivelmente foram perdidos para o espaço no início da história da Terra, pelo fato da gravidade terrestre não ser intensa o suficiente para reter os gases mais leves. A Terra não tinha ainda um núcleo diferenciado (sólido/líquido) responsável pelo campo geomagnético que constitui hoje a Magnetosfera. Tão logo o núcleo ficou diferenciado, os gases mais pesados foram retidos.

34 2ª Atmosfera Muitos vulcões que liberavam: H 2 O, CO 2, SO 2, CO, S 2, Cl 2, N 2, H 2, NH 3 (amônia) e CH 4 (metano). Formação dos oceanos com o resfriamento da Terra, permitindo a presença da água na fase líquida Fonte:

35 Vulcão Santa Helena

36 3ª Atmosfera: atual Uma pequena fração do O 2 presente na atmosfera foi formada pela fotodissociação da molécula da água por absorção de radiação ultravioleta (1 a 2% dos níveis atuais) CO 2 dissolvido nos oceanos Bactérias primitivas usavam radiação solar e CO 2 para produzir O 2 Níveis de oxigênio na atmosfera aumentaram Quebra da amônia em nitrogênio e hidrogênio por absorção de radiação solar Fonte: Como o hidrogênio é mais leve, foi transportado para camadas mais altas da atmosfera e, eventualmente escapando para o espaço

37 Mudanças climáticas Como identificar cientificamente e avaliar os diferentes padrões/aspectos das mudanças climáticas?

38 Altura média x peso médio de bebês do sexo feminino de 0 a 11 meses

39 Altura e peso médios de bebês do sexo feminino em função da idade

40 Definições Variabilidade Tendência Coerência Extremos Probabilidade de excesso Persistência e mecanismos de retroalimentação Correlação serial, defasagem e tempo de resposta Ciclos Teoria do caos Efeitos aleatórios e estocásticos

41 Definições Tendência Coerência Extremos Probabilidade de excesso Persistência e mecanismos de retroalimentação Correlação serial, defasagem e tempo de resposta Ciclos Teoria do caos Efeitos aleatórios e estocásticos

42 Tendência de aumento (não linear!) a uma taxa de 0,4ºC/século Média: Ano

44 Coerência As principais flutuações observadas na série temporal de uma determinada localidade apresentam similaridades temporais nas séries observadas em outras localidades. Por exemplo, em escalas de tempo de 3 a 5 anos, as variações de temperatura nos hemisférios norte e sul são muito parecidas. A coerência ocorre porque as causas, em geral, provocam mudanças globalmente. Ex.: grandes erupções vulcânicas.

45 Coerência? Média móvel a cada três anos da anomalia do nível médio do mar com relação ao período (IPCC AR5, 2013)

47 Extremos Valores muito acima ou abaixo observados em uma série temporal. Ex.: ondas de calor, secas ou tempestades severas É possível determinar, estatisticamente, limites de confiança em uma série temporal a partir da tendência dos dados observados

48 Ano

49 Índice de Extremos Climáticos EUA, 1995 Monitoramento de eventos extremos no país Baseado em um conjunto de indicadores climáticos: Médias mensais de temperaturas máximas e mínimas; Eventos de precipitação diária intensa; severidade de secas; Número de dias com/sem precipitação; Intensidade dos ventos dos ciclones tropicais que adentram o continente

50 Índice de Extremos Climáticos CEI (do inglês, Climate Extreme Index) = 0 Nenhuma porção do país foi sujeito a eventos extremos de temperatura e precipitação considerados no índice CEI = 100 Todo o país teve condições extremas no intervalo de tempo considerado para cada indicador. Cenário impossível virtualmente.

51

53 Probabilidade de excesso A partir de longas séries temporais, é possível construir distribuições para visualizar o número ou frequência de observações sobre o intervalo de dados. A forma ou assimetria dessas distribuições pode revelar a presença de mudança climática

54

55 Exemplo de distribuição da temperatura da superfície da Terra: Mais quente com o passar do tempo, com mesma variabilidade 15,6ºC (Adaptado de Bryant, E. 1997)

56

57 Exemplo de distribuição da temperatura da superfície da Terra: Mais quente com o passar do tempo, com maior variabilidade 15,6ºC (Adaptado de Bryant, E. 1997)

59 Persistência Tendência do clima em apresentar similaridade no tempo Estabilidade temporária nas condições que controlam o clima Em geral, é causada por mecanismos de retroalimentação

60 Mecanismos de retroalimentação Positivos: acentuam a mudança observada. Exemplo: precipitação forte -> aumenta a umidade do solo -> maior evapotranspiração -> formação de nuvens -> chuva Negativos: diminuem o impacto da mudança. Exemplo: em latitudes médias, com a chegada da primavera: maior incidência de radiação solar -> aumento da temperatura -> derretimento da neve -> minimiza a reflexão de radiação solar -> minimiza o efeito de resfriamento pela cobertura de neve.

62 Correlação serial Para variáveis contínuas (ex., temperatura), a persistência é tipicamente caracterizada em termos de correlação serial ou autocorrelação temporal ou correlação defasada O prefixo auto denota correlação da variável com ela mesma Assim, autocorrelação temporal indica existência de correlação com valores passados e futuros

63 Período mais quente que a tendência Período mais frio que a tendência Ano

64 Correlação serial Como no exemplo entre a altura e peso de bebês, pode não existir uma relação de causa e efeito, mas em geral, uma associação lógica pode ser feita No exemplo, o desenvolvimento do bebê, apropriadamente nutrido, leva ao aumento de seu peso e do seu crescimento com o tempo.

65 Correlação serial A habilidade de demonstrar inter-relações entre duas séries temporais é uma técnica robusta para desvendar as causas das mudanças climáticas Ex.: próximo da costa, a chuva é frequentemente relacionada à temperatura da superfície do mar. Oceanos mais quentes -> maiores taxas de evaporação => condensação e precipitação sobre o continente em pontos mais próximos a tais fontes de umidade.

66 Correlação serial e defasagem Mas, pode haver uma defasagem entre um evento e outro. Leva-se um tempo entre o desenvolvimento de instabilidade sobre a água mais quente e a medida da chuva sobre o continente. A defasagem é comum entre variáveis climáticas. Por exemplo, a temperatura do ar próximo à costa demora mais para aquecer do que no interior do continente, na primavera, devido à inércia térmica da água (maior capacidade térmica). A diferença temporal pode ser de 2 a 3 meses!

68 Ciclos Um ciclo pode ser definido como qualquer fenômeno periódico que se repete em um intervalo de tempo fixo. É usualmente caracterizado por uma onda senoidal cujo comprimento de onda define sua periodicidade

69 Ciclos O número de repetições por unidade de tempo define a sua frequência A intensidade é determinada pela magnitude da onda senoidal. Mais de um ciclo pode estar presente num registro climático. A identificação dos ciclos é dificultada pela presença de harmônicos e de interações

70 Ciclos Harmônico: ciclo forte apresenta um ciclo mais fraco com metade do seu comprimento de onda

71 Ciclos Interação entre ondas pode ser positiva ou negativa. Para dois ciclos que interagem entre si, a periodicidade do ciclo resultante pode ser determinada como: Interação positiva: x = mn/(n+m) Interação negativa: x = mn/(n-m) onde x é a periodicidade do ciclo resultante, m e n são as periodicidades dos ciclos forçantes originais

72 Ciclos Exemplo: como veremos em aula futura, há três ciclos primários que controlam as idades do gelo: ~ 96 mil anos (excentricidade) ~40 a 41 mil anos (obliquidade) ~19 a 23 mil anos (precessão) A interação positiva dos ciclos de 96 mil e 41 mil anos pode produzir um ciclo de anos e a negativa entre os ciclos da obliquidade e da precessão pode produzir ciclos de 35 mil e 54 mil anos.