3.1 Mudanças Climáticas naturais

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1 3.1 Mudanças Climáticas naturais Registros geológicos indicam que mudanças acentuadas no clima têm ocorrido durante toda a estória da Terra. Essas mudanças são chamadas de mudanças climáticas naturais. Entender essas mudanças climáticas naturais nos ajuda a entender e também a prever as mudanças tanto naturais, como antropogênicas. Nesta aula veremos os mecanismos que podem causar as variações climáticas naturais. Durante maior parte da estória da Terra a temperatura média global tem sido mais quente que hoje e as regiões polares estiveram sem a camada de gelo. Contudo, esses períodos muitos quentes foram intercalados por muitos períodos de glaciações. Evidências geológicas sugerem que ocorreram duas intensas glaciações, uma há 700 milhões de anos e outra em torno de 300 milhões de anos. Aproximadamente 65 milhões de anos atrás a Terra era mais quente que hoje e as capas de gelo não existiam. No entanto, 55 milhões de anos atrás a Terra entrou em um longo período de resfriamento. Depois de milhões de anos as capas polares começaram a aparecer, as temperaturas médias continuaram a descer e a cobertura de gelo tornou-se ainda mais espessa. Assim, há cerca de 10 milhões de anos uma profunda camada de gelo cobriu a Antártica (3km). Ao mesmo tempo, neve e gelo começaram se acumular nas montanhas do Hemisfério Norte. Aproximadamente há 2 milhões de anos as glaciais surgiram nas áreas continentais deste hemisfério, marcando o início do Pleistoceno. Este período, contudo, não foi um período 1

2 contínuo de glaciação; as glaciais alternadamente avançaram e retraíram sobre grande parte da América do Norte e Europa. Esta alternância entre o avanço e retração das glaciais é conhecida como períodos interglaciais. O último período de retração das geleiras iniciou-se há 10 mil anos. Entre 1400 e 1800 observou-se um período de resfriamento da Terra, conhecido como pequena idade do gelo (Figura 2). Questões Em que era estamos? Quando surgiu o homem? 2

3 Figura 1 - Reconstrução esquemática da temperatura média global e do nível do mar nos últimos 500 milhões de anos, baseada em análises de depósitos marinho e terrestre. Fonte: biogilde.wordpress.com/2008/11/02/ 3

4 Figura 1a - Reconstrução esquemática da temperatura média global da superfície nos últimos 100 milhões de anos, baseada em análises de depósitos marinho e terrestre e projeções para as próximas décadas baseadas em modelos numéricos. Fonte: 4

5 Figura 2 - Anomalia de temperatura reconstruída a partir de modelos numéricos climáticos do IPPC. Fonte: IPPC

6 Forçantes do sistema climático Consideramos a atmosfera, o oceano e a superfície como forçantes internas do sistema climático. O interior da Terra e todos as forçantes extraterrestres são considerados como externos ao sistema climático. São considerados como forcantes externas as variações na constante solar, variações na órbita da Terra em torno do sol e erupções vulcânicas. Nota-se que estas forçantes não são influenciadas pelo clima. A deriva continental também é considerada como uma forçante externa, uma vez que esta não é forçada pelo clima da Terra. As variações climáticas de longo período podem ser associadas à variação de radiação solar sobre a Terra. A causa mais direta das mudanças climáticas de longo período seria a variação da luminosidade do sol. Teorias sobre a evolução estelar sugerem que a luminosidade do sol tem aumentado em torno de 30% deste a formação do sistema solar. No entanto, a Terra na sua origem era bem mais quente que hoje, este fato parece ser mais explicado pelos gases originais que por maior luminosidade do sol. Estima-se através da análise do solo que a concentração de CO 2 n atmosfera era 16 vezes maior que hoje. Considera-se que o aumento da luminosidade solar e da matéria orgânica contribuiu para a diminuição desta concentração. Na escala de tempo climática, apesar do aumento da luminosidade ao longo da existência do sol, este é assumido como uma fonte estacionária de luminosidade. 6

7 Atividade solar e mudanças climáticas Manchas Solares ou Sunspots A maior parte da energia recebida pela Terra vinda do sol se origina na fotosfera, que tem temperatura de emissão em torno de 6000K. As Manchas solares são uma característica dominante da fotosfera ou da superfície do sol. Estas são regiões do sol que são marcadas por baixa temperatura e têm intensa atividade magnética. O centro destas manchas é aproximadamente de 1700K mais frio que a média da fotosfera. Estas regiões são produzidas pela interrupção do fluxo normal de energia das camadas internas do sol devido à intensa atividade magnética. Em média essas manchas persistem por uma ou duas semanas. Essas manchas são acompanhadas por regiões brilhantes chamadas de faculae, que são 1000K mais quentes que a fotosfera e emite 15% mais energia. A atividade da área conhecida como faculae domina a área escura associada às manchas. A ocorrência deste fenômeno tem período de 22 anos. A Figura 3 mostra número de manchas solares nos últimos 400 anos. Nesta figura se verifica que a pequena era do gelo coincidiu com mínima atividade das manchas. Nos tempos atuais estamos em um período de máxima atividade das manchas solares. No entanto, a relação entre o número de manchas e irradiância é considerada pequena. Exceto na década de 1980, quando se observou grande número de mancha e máxima atividade solar (Figura 4). A variação média observada na constante solar no topo da atmosfera é da ordem de 0,175 W/m 2, considerada muito pequena para afetar significativamente o clima da Terra. 7

8 Hoje, considera-se que a atividade magnética do sol e os raios cósmicos também têm influência sobre o clima da Terra. Para complementar a leitura deste tópico visite o site: Figura 3 - Número de manchas solares nos últimos 400 anos. Fonte: 8

9 Figura 4 - Variação de número de manchas solares, anomalia de temperatura e irradiância entre 1850 e Fonte: 9

10 Erupções Vulcânicas As erupções vulcânicas têm um importante papel no clima, através da alteração de concentração dos gases da atmosfera e das partículas lançadas na atmosfera durante essas erupções. O efeito desses gases e partículas pode aquecer ou resfriar a superfície da Terra, dependendo como a luz do sol interage com o material vulcânico. Assim, não é simples inferir como as erupções vulcânicas irão afetar o clima. A poeira vulcânica lançada na atmosfera causa resfriamento. A intensidade deste resfriamento depende da quantidade de poeira lançada na atmosfera e a duração deste resfriamento depende do tamanho das partículas. Partículas com o tamanho médio de um grão de areia precipitam rápido e têm pouco efeito no clima. Já as partículas consideradas pequenas permanecem na atmosfera por horas ou dias, causando imediato resfriamento da superfície através da redução da radiação solar incidente e como estas partículas são utilizadas como núcleo de formação de nuvens, essas são retiradas da atmosfera através da precipitação das gotas de chuvas destas nuvens. Contudo se essas partículas forem lançadas na estratosfera, pode permanecer por semanas ou meses, refletindo a radiação solar causando o resfriamento de grandes áreas da Terra. Vulcões que liberam grande quantidade de dióxido de enxofre (SO 2 ) ou trióxido de enxofre (SO 3 ) afetam o clima mais fortemente que aqueles que ejetam poeira. Estes compostos de enxofre na estratosfera combinados com as moléculas de água formam o ácido 10

11 sulfúrico, que refletem para o espaço a radiação solar. Estas substâncias permanecem na estratosfera por meses ou anos. Conseqüentemente, essas podem causar significante resfriamento da Terra por até dois anos depois de uma grande erupção vulcânica. Os vulcões também liberam grande quantidade de água e dióxido de carbono. Como estes absorvem e emitem radiação infravermelha, a superfície adjacente a estes vulcões tende a se aquecer. Conseqüentemente, em curtos intervalos as maiores erupções vulcânicas causam um rápido aquecimento da atmosfera mais que resfriamento. No entanto, esse vapor dágua se condensa rapidamente e o CO 2 se dissolve rapidamente no oceano ou é absorvido pelas plantas. Tratando-se de erupções vulcânicas, considera-se que o efeito dos compostos de enxofre tem maior influência sobre o clima, com tendência a resfriamento da superfície quando estas erupções acontecem. A Figura 5 mostra as anomalias de temperatura para todo o globo entre os anos de 1900 e 2000 e quando as principais erupções vulcânicas ocorreram nesse período, como também os anos de fortes El-niños. Nota-se que nas três últimas grandes erupções vulcânicas houve uma tendência de resfriamento nos anos subseqüente a estas. Na Figura 6 tem-se a média das anomalias de temperatura da superfície antes e depois de cinco grandes erupções vulcânicas: Krakatau (1883), Santa Maria (1902), Agung (1963), El Chichon (1982) and Pinatubo (1991). Considerando essas erupções observa- 11

12 se que houve resfriamento nos quatros anos subseqüentes. No entanto, essa informação deve ser visto com cautela, uma vez que já havia anomalias negativas intensas de temperatura quando ocorreu a erupção do Agung. - Para obter mais informações sobre esse tópico: Figura 5 Anomalia média da temperatura da superfície entre 1900 a Fonte: 12

13 Figura 6 - Anomalia média temperatura da superfície antes e depois de cinco grandes erupções vulcânicas: Krakatau (1883), Santa Maria (1902), Agung (1963), El Chichon (1982) and Pinatubo (1991). Fonte: Figura 7 - Anomalia prevista (sólida) e observada (linha tracejada) da temperatura global antes e depois da erupção do Pinatubo. 13

14 Mudanças climáticas e as variações na órbita da Terra O astrônomo Milutin Milankovitch em 1930 foi quem propôs que as variações climáticas da Terra poderiam está associadas às variações da órbita da Terra. A premissa básica desta teoria é que três movimentos cíclicos se combinam para produzir variações na quantidade de energia solar que alcança a Terra. 1. Excentricidade O primeiro ciclo está associado com mudanças na forma da órbita da Terra, ou como a Terra evolui em torno do sol (Figura 8). A órbita da Terra varia entre a forma elíptica a forma quase circular, este ciclo tem período de aproximadamente anos. No presente a órbita da Terra apresenta baixa excentricidade, ou seja, apresenta trajetória quase circular. EX~ 0 EX ~0.5 Figura 8 Excentricidade da trajetória da Terra em torno do Sol. Fonte: Wikipédia 14

15 2. obliqüidade O segundo ciclo está associado à obliqüidade, ou à inclinação do eixo da Terra em relação ao plano da órbita em torno do Sol (Figura 9). Esta inclinação varia de 22 a 24,5 com um ciclo de aproximadamente anos. No presente a inclinação deste eixo é de 23,5. O aumento da inclinação aumenta os contrastes entre verão e inverno, principalmente nas altas latitudes. Ou seja, quando a obliquidade aumenta os contraste sazonal acentua-se igualmente nos dois hemisférios. Assim, tem verões mais quentes e invernos mais frios. Figura 9 Ângulo da inclinação do eixo da Terra em relação ao plano da órbita em torno do Sol. Fonte: Wikipédia 15

16 3. precessão. O terceiro ciclo está associado à mudança na direção do eixo de rotação da Terra em relação às estrelas fixas, ou muito distantes do sistema solar (Figura 10). Este terceiro movimento é conhecido como precessão. Esse movimento está associado com o torque exercido pelo sol e pela lua na Terra. A Terra não é perfeitamente esférica, mas sim achatada nos pólos e bojuda no equador. Seu diâmetro equatorial é cerca de 40 km maior do que o diâmetro polar. Além disso, o plano do equador terrestre e, portanto, o plano do bojo equatorial, está inclinado 23 26' 21,418"em relação ao plano da eclíptica, que por sua vez está inclinado 5 8' em relação ao plano da órbita da Lua. Esse movimento de precessão da Terra tem ciclo de aproximadamente anos. 16

17 Figura 10 - Movimento de precessão da Terra. Fonte : Exercícios: - Assista a animação da Sociedade Botânica de São Paulo: - Faça as simulações proposta na página abaixo para fixar conceitos sobre os ciclos de Milankovitch. 17

18 Mudanças climáticas de curto período - Fenômeno El-nino Texto adaptado - O El Niño e Você - o fenômeno climático - Autor - Gilvan Sampaio de Oliveira - El Niño representa o aquecimento anormal das águas superficiais e sub-superficiais do Oceano Pacífico Equatorial (Figura 11). As anomalias do sistema climático que são mundialmente conhecidas como El Niño e La Niña representam uma alteração do sistema oceano-atmosfera no Oceano Pacífico tropical, e que tem conseqüências no tempo e no clima em todo o planeta. Nesta definição, considera-se não somente a presença das águas quentes no Pacífico Equatorial, mas também as mudanças na atmosfera próxima à superfície do oceano, com o enfraquecimento dos ventos alísios (que sopram de leste para oeste) na região equatorial. Com esse aquecimento do oceano e com o enfraquecimento dos ventos, começam a ser observadas mudanças da circulação da atmosfera nos níveis baixos e altos, determinando mudanças nos padrões de transporte de umidade e, portanto, variações na distribuição das chuvas em regiões tropicais e de latitudes médias e altas. Em algumas regiões do globo também são observados aumento ou queda de temperatura, como também aumento e diminuição da precipitação (Figura 12 e 13). Evento de El Niño e La Niña tem uma tendência a se alternar cada 3-7 anos. Algumas vezes, os eventos El Niño e La Niña tendem a ser intercalado por condições normais. O El Niño mais intenso desde a existência de observações de TSM ocorreu em e

19 Figura 11 Anomalias de temperatura da superfície do oceano Pacífico para o período de 13 a 19 de outubro de Fonte: CPTEC/INPE 19

20 Figura 12 Impactos do El-Niño no clima nos meses de DJF. Figura 13 Impactos do El-Niño no clima nos meses de JJA. 20

21 La-Niña Em ano de La-Niña os ventos alísios no Pacífico equatorial são mais intensos. Assim as águas mais frias do lado leste do Pacífico são empurradas para o lado oeste da Bacia. Com os ventos mais intensos a ressurgência também irá aumentar no Pacífico Equatorial leste, resfriando ainda mais o leste do Pacífico equatorial. Os valores das anomalias de temperatura da superfície do mar (TSM) em anos de La Niña têm desvios menores que em anos de El Niño, ou seja, enquanto observam-se anomalias de até 4, 5ºC acima da média em alguns anos de El Niño, em anos de La Niña as maiores anomalias observadas não chegam a 4ºC abaixo da média. Episódios recentes do La Niña ocorreram nos anos de 1988/89 (que foi um dos mais intensos), em 1995/96 e em 1998/99. Nas Figuras 14 e 15 encontra-se uma configuração esquemática dos impactos do fenômeno La-Niña no clima da Terra nos meses de dezembro a fevereiro (DJF) e nos meses de junho a agosto (JJA). Observa-se maior probabilidade de chuvas acima da média sobre o Nordeste brasileiro nos meses de DJF. Enquanto sobre a região sudeste as temperaturas tendem a ser abaixo da média DJF e em a precipitação tende a ser abaixo da média em JJA. A figura 4 apresenta a evolução temporal das anomalias de TSM na região do Pacífico denominada de niño 4. Nesta figura pode-se observar que os eventos La-Niña mais intenso mais recentes ocorreram em 1984/86, 1989/90 e 1998/2001. Já os eventos El-Niño mais intensos ocorreram em 1982/83, 1990/93 e 1997/

22 Figura 14 Impactos do fenômeno La-Niña no clima nos meses de DJF. Fonte: CPTEC/INPE Figura 15 Impactos do fenômeno La-Niña no clima nos meses de JJA. Fonte: CPTEC/INPE 22

23 Figura 16 Evolução temporal das anomalias de TSM na região do Pacífico denominada de niño 4. Fonte: CPTEC/INPE 23