Algumas definições. O Clima da Terra: Processos, Mudanças e Impactos

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1 Algumas definições O Clima da Terra: Processos, Mudanças e Impactos

2 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

3 Teoria do caos Sistemas caóticos são: Determinísticos (estado inicial => estado final) resultantes da interação de 2 ou mais processos não lineares Apresentam sensibilidade a pequenas perturbações, i. e., pequenas variações nas condições iniciais levam a resultados totalmente diversos.

4 O atrator de Lorenz (

5 Teoria do caos Matematicamente, um sistema linear tem a seguinte fórmula: y = a + bx n ou y = bx n onde n = 1 Um sistema não linear tem a fórmula: y = bx n onde n 1 A maioria dos sistemas climáticos apresenta 1 < n < 2 Fenômenos climáticos são geralmente resultantes do produto da interação de dois ou mais processos não lineares simples. Assim, os sistemas climáticos se comportam como sistemas caóticos e, portanto, contêm um componente não previsível a longo prazo.

6 Exemplo Qual a disponibilidade de umidade? Grau de instabilidade da atmosfera Quanto de chuva vai cair num determinado local? Taxa de condensação Taxa de crescimento das gotículas Taxa de precipitação Os sistemas caóticos apresentam alto grau de ordem, mas é impossível prever sua tendência ou estado futuros!!! Os resultados são informados em termos de probabilidade

7 Exemplo Qual a disponibilidade de umidade? Grau de instabilidade da atmosfera Quanto de chuva vai cair num determinado local? Taxa de condensação Taxa de crescimento das gotículas Taxa de precipitação Os sistemas caóticos apresentam alto grau de ordem, mas é impossível prever sua tendência ou estado futuros!!! Os resultados são informados em termos de probabilidade

8 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

9 Efeitos aleatórios e estocásticos Estocástico é um termo estatístico que significa aleatoriedade. Todas as variáveis medidas apresentam uma incerteza associada. A incerteza gera um ruído não explicado deterministicamente. Na análise de dados climáticos, um evento causado por fenômenos locais gera incertezas quando confrontamos com causas globais, isto é, dificuldade na interpretação dos resultados

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11 Geocronologia isotópica Radioatividade Número de massa = A = Z + N Número atômico = Número de prótons = Z Símbolo químico do elemento A Z X Z => elemento químico Diferentes números de massa (A) => isótopos do elemento N = número de nêutrons

12 Radioatividade ou decaimento radioativo Emissão espontânea de partículas ou radiação eletromagnética por isótopos instáveis ou metaestáveis em consequência da desintegração do núcleo atômico ativo.

13 Radioatividade ou decaimento radioativo Z diminui em 2 unidades; A diminui em 4 unidades; produção de um novo elemento químico Emissão de partícula alfa (2 prótons e 2 nêutrons)

14 Radioatividade ou decaimento radioativo Emissão de partícula alfa (2 prótons e 2 nêutrons) Emissão de um elétron conversão de um nêutron em um próton; como o elétron tem massa desprezível, Z aumenta em uma unidade e A permanece o mesmo; produção de um novo elemento químico

15 Radioatividade ou decaimento radioativo Todos os elementos com Z > 83 são radioativos

16 Vida média radioativa A probabilidade de emissão é uma propriedade interna do átomo, independe da temperatura, pressão ou do tempo. Depende apenas da constante de decaimento λ.

17 Número de desintegrações no tempo: dn dt = λn λ é a constante de decaimento Integrando no tempo: n t = n 0 e λt n 0 2 = n 0e λt 1 2 t 1/2 é a meia-vida do átomo

18 Ao conhecer a taxa de decaimento de um isótopo pode-se estimar o tempo no qual apenas os isótopos pai estavam presentes => Determinar a idade da rocha de onde a amostra foi coletada.

19 Isótopo pai isótopo Daughter filho isotope meia-vida Half-life λ (stable) (Gy) (radioativo) (estável) (10 9 anos) (10-11 /ano) Parent isotope (radioactive) Decay constant (10-11 yr -1 ) 40 K 40 Ar* Rb 87 Sr Sm 143 Nd Captura de elétron β α 176 Lu 176 Hf Re 187 Os Th 208 Pb U 207 Pb U 206 Pb β β 6α, 4β 8α, 6β 6α, 4β

20 Isótopo de oxigênio: 16 O é mais comum que o 18 O 16 O evapora mais rapidamente, por ser mais leve Durante períodos glaciais longos, o oceano se torna rico em 18 O, ao passo que o 16 O que evaporou do oceano se encontra armazenado nas camadas de gelo Os foraminíferos (organismos unicelulares pequenos) incorporam isótopos de oxigênio como carbonato de cálcio em suas conchas. A absorção de 18 O depende da temperatura => análise da composição isotópica de oxigênio de tais fósseis resulta em informações da variação de temperatura.

21 Dos vídeos A paleoclimatologia utiliza informações do clima passado a partir da análise de: Espeleotemas Anéis de crescimento de árvores Sedimentos do fundo dos oceanos Outras amostras sistematicamente analisadas: Testemunhos de gelo Sedimentos do fundo de lagos

22 AR5 - IPCC, 2013 Os registros paleoclimáticos auxiliam na compreensão dos sistemas de retroalimentação do planeta em escalas de tempo mais longos que alguns séculos, que não podem ser estudados a partir de registros instrumentais curtos

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

24 Sol Principal fonte de energia No recém-formado sistema solar, a atividade era ~ 25-30% menor que atualmente e, gradualmente a radiação emitida foi aumentando.

25 (Ramstein, 2011)

26 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

27 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.

28 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. Estudos geológicos mostraram que pelo menos desde 3,8 bilhões de anos atrás, já existiam oceanos líquidos Os fósseis mais antigos datam de ~ 3,5 bilhões de anos e são constituídos por microfósseis de bactérias Primeira glaciação há ~ 2,7 bilhões de anos.

29 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)

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

31 A atmosfera é um envelope de gases que envolve 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 aquáticas usavam radiação solar e CO 2 para produzir O 2 Níveis de oxigênio na atmosfera aumentaram Formas de vida fora do oceano 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 Para se aprofundar nos temas: Estatística aplicada nas ciências atmosféricas: Wilks, D. (2006) Statistical Methods in the Atmospheric Sciences. Formação dos elementos químicos: Viola, V. E. (1990) Formation of the chemical elements and the evolution of our universe. Journal of Chemical Education 67(9), Radioatividade: Graedel, T. E. & Crutzen, P. J. (1993) Atmospheric Change An Earth System Perspective.