O CLIMA DA TERRA: Processos, Mudanças e Impactos

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1 O CLIMA DA TERRA: Processos, Mudanças e Impactos Prof. OSWALDO MASSAMBANI, Ph.D. Professor Titular massambani@usp.br Prof. TÉRCIO AMBRIZZI, Ph.D. Professor Titular ambrizzi@model.iag.usp.br Departamento de Ciências Atmosféricas Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas Universidade de São Paulo

2 Aula 03 A origem da atmosfera da Terra A evolução da temperatura na Terra Variabilidade recente da temperatura global na Terra CO2 e Temperatura

3 A origem da atmosfera da Terra

4 EVOLUÇÃO DA ATMOSFERA 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) encontra-se dentro dos 30 km da superfície da Terra (da mesma ordem de grandeza da expessura da crosta continental).

5 A pressão atmosférica possui forma similar: 14.7 psi (10 5 N/m 2 ) na superfície, caindo exponencialmente com a altura.

6 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 acresção e 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 (H 2, He) Resfriamento: Calor primordial dissipado para o espaço. Condensação da água (chuva), acumulação da água superficial. Acumulação da nova atmosfera devido à liberação de gases de origem vulcânica. Resultando: Condições apropriadas para a evolução da vida

7 A PRIMEIRA ATMOSFERA Composição Provavelmente H 2, 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.

8 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. (H 2 O, CO 2, SO 2, CO, S 2, Cl 2, N 2, H 2 ) and NH 3 (amônia) e CH 4 (metano). Não havia nessa fase O 2 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).

9 Vulcão Santa Helena

10 Uma importante questão é como foi processada a adição do O 2 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 O 3 (Ozônio) pode ser formado para criar a camada que protege a Terra do UV. Fotosíntese - CO 2 + H 2 O + luz solar = compostos orgânicos + O 2 produzido através de cianobactérias e eventualmente plantas - fornecendo o restante do O 2 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 (N 2 ) 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.).

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

12 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.

13 500 Milhões de anos

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

15 Resumo dos processos produtores e usuários de Oxigênio Processos Produção (+) / Uso (-) (kg/ano) photochemistry weathering of rock volcanism photosynthesis respiration/decay burial of carbon from organisms recycling of buried sediments fossil fuel combustion

16 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!

17 Planetas Internos ou Terrestres

18 O CO2 e os Planetas 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.

19 O Efeito Estufa Planetário

20 O interior da Terra A fina crosta da Terra desliza sobre uma camada elástica de rocha denominada manto. Abaixo do manto há o núcleo externo líquido composto por ferro e níquel. No centro está o núcleo interno sólido também composto por ferro e niquel. Movimentos dentro do mantto causam um arrastro da crosta. A crosta é quebrada em placas que quando se deslocam causam os terremotos, vulcões e formam as cordilheiras de montanhas.

21 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.

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23 A Magnetosfera Terrestre O campo MHD

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25 A Terra e a Lua vista de Marte

26 Perfil vertical típico da temperatura da Terra Marte e Venus Marte Venus Earth

27 A Ionosfera Terrestre

28 Os Gases Constituintes da Atmosfera Terrestre Atual

29 Estrutura vertical da Atmosfera

30 A EVOLUÇÃO DA TEMPERATURA DA TERRA

31 Registros climáticos no Quaternário

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33 A COBERTURA DE GELO

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

36 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.

37 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 Medidas via satélite ACRIM. Parece ter havido um ligeiro aumento dos mínimos de radiação.

38 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.

39 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.

40 Manchas Solares e conexões climáticas

41 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 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 préindustriais. 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.

42 Variabilidade recente da temperatura global na Terra

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44 Variabilidade recente da temperatura global na Terra

45 Magnitude e localização de anomalias da temperatura atmosférica em 2003

46 CO 2 e a Temperatura

47 Durante os últimos 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.

48 A evolução recente da concentração de CO2 na atmosfera

49 Uma geografia da distribuição das emissões industriais de CO2

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

51 Emissões oriundas de alguns países