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 4 MUDANÇAS CLIMÁTICAS As mudanças climáticas desde o Pleistoceno Causas das mudanças climáticas Os efeitos do homem sobre o clima

3 Fatores que influenciam o clima da Terra

4 Holoceno recente

5 Mudanças climáticas ao longo do tempo Muito amplas para mais do que um highlight Entre 4.6 bilhões a 2 milhões de anos Glaciações no antigo Precambriano, Ordoviciano, Permiano e Pleistocene Influência das placas tectônicas, da distribuição terra-mar e os fatores externos Aparecimento de grandes geleiras Últimos 2 milhôes de anos passados Períodos glaciais e interglaciais (incluindo o Holoceno) Pesquisas intensivas sobre as causas e os inícios, etc. Última grande glaciação anos passados temperatura global cerca de 4 a 6 graus C mais fria que a atual

6 Fatores Externos Atuam em escalas de tempo de centenas de milhares de anos a milhões de anos. Os efeitos das forçantes orbitais são os mais importantes causas das mudanças do clima da Terra. O matemático sérvio Milutin Milankovitch propôs em 1920 que uma variação da órbita da Terra afetaria o clima. Com sua teoria explicou a extensão das calotas polares a partir das variações da orbita da Terra. Essa teoria foi confirmada em 1975 utilizando amostras do oceano profundo.

7 Parâmetros orbitais de MILANKOVITCH Com a máxima excentricidade, a diferença da radiação solar recebida entre o periélio e o afélio é de cerca de 30% A Precessão tem duas componentes: AXIAL torque dos outros planetas causa um spinning do eixo. ELÍPTICA a órbita eliptica da Terra gira ao redor de um foco. Sem a Lua a obliquidade da Terra variaria caóticamente, gerando dramáticas variações no clima. Talvez sem nossa Lua a vida poderia não existir na Terra.

8 Clima no Holocene Recente Aquecimento Revolução Industrial Pequena Idade do Gelo II Fase de aquecimento Pequena Idade do Gelo I a.d Período quente Medieval Explorações dos Vikings 1 a. D Médio holoceno período quente ( Climatic Optimum ) Esfriamento Dryas

9 A causa da Pequena Idade do Gelo não é conhecida Há três possíveis teorias Atividade vulcânica causou um aumento na concentração de material particulado na atmosfera, levando a um aumento da reflexão da radiação de ondas curtas. A radiação solar incidente reduziu em cerca de 0.25% durante a maior parte desse período. O chamado Mínimo de Maunder. Pode ter havido um decrescimo no calor transferido para as região norte devido à mudanças nas correntes oceânicas superficiais e profundas no Atlântico Norte. O mais provável é uma combinação desses fatores que levaram às condições da Pequena Idade do Gelo

10 Mínimo de Maunder

11 Proxy e as medidas instrumentais

12 Anéis de Árvores

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15 Testemunhos de gelo

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17 Fatores Internos Orogenia os processos tectônicos de formação de montanhas e surgimentos continentais Afetam a circulação atmosférica Epeirogenia descreve mudanças na disposição global das massas continentais. Atividade Vulcânica - erupções vulcânicas podem injetar grandes quantidades de poeira e material gasoso (SO2) na alta atmosfera, o qual é rápidamente convertido em aerosol de ácido sulfúrico Circulação oceânica o oceano armazena uma imensa quantidade de energia e consequentemente possui uma atuação crucial na regulação do clima global. Variações na composição atmosférica - A mudança na composição da atmosfera, incluindo os gases de efeito estufa e o conteúdo de aerosol, é o principal mecanismo forçante interno. Feedback climático balanceamento entre as componentes acopladas do clima global

18 Agung, 1963 El Chichon (1982) Mt. Pinatubo (1991) Hansen, Scientific American, March 2004

19 CO 2 e a Temperatura

20 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.

21 A evolução recente da concentração de CO2 na atmosfera

22 Uma geografia da distribuição das emissões industriais de CO2

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

24 Emissões oriundas de alguns países

25 Emissões de Carbono e acumulação na atmosfera de CO2 desde 1860 Aumento de CO2 atmoférico desde 1750 Tendência recente e variação sazonal da concentração de CO2

26 Metano Metano (CH4) é um gas traço ativo quimica e radiativamente que é produzido por uma variedade de processos anaeróbicos (devicientes em oxigênio) e é primariamente removido por reações com radicais hidroxilas (OH) na atmosfera. Aumento no Metano atmosférico desde 1750

27 Óxido Nitroso Óxido Nitroso (N 2 O) é um importante gas com longa vida que é emitido predominantemente por fontes biológicas no solo e na água e removido na alta atmosfera via reações fotoquímicas. Essas fontes não são bem quantificadas em termos globais.

28 Halocarbonos Halocarbonos são os (CFCs), os hidroclorofluorocarbonos (HCFCs), methylhalides, carbon tetrachloride (CCl4), carbon tetrafluoride (CF4)), and the halons (bromide species). Ozônio Ozônio (O3) é encontrado em toda a atmosfera, com cerca de 90% na estratosfera e o restante na troposfera. Em ambas as regiões ele é continuamente formado e destruído via processos fotoquimicos envolvendo CO, metano, não-metano, hidrocarbonos e NOx. Outros gases traço Os outros gases traço NOx, CO, os compostos voláteis orgânicos (VOCs) possuem pouco impacto radiativo direto sobre a atmosfera, mas podem influenciar indiretamente a quimica e a concentração de certos gases estufa, particularmente o Ozônio. A maior fonte desses compostos são tecnológicos (combustíveis fósseis em plantas industriais, nos transportes e na combustão da biomassa.

29 Mudanças na concentração atmosférica dos principais gases estufa Year CO2 (ppmv) CH4 (ppbv) N2O (ppbv) CFC11 (pptv) CFC12 (pptv)

30 Concentrações atmosféricas - Pré-industrial e 1992 Concentração Preindustrial Concentração em 1992 Taxa de mudança da concentração durante a décade de 1980 Tempo de ajuste atmosférico - lifetime CO2 CH4 N2O CFC ppmv 700ppbv 275ppbv zero 355ppmv 1.715ppbv 310ppbv 503pptv 1.5ppmv/a 13ppbv/a 0.75ppbv/a 20pptv/a a a 120 a 102 a

31 Estrutura conceitual da forçante climática, das respostas e da retroalimentação NATURAL PROCESSES Sun, orbit, volcanoes HUMAN ACTIVITIES Fuel usage Industrial practices Agricultural practices Societal Impacts FORCING AGENTS Emissions of greenhouse gases and precursors, aerosols and precursors, and biogeochemically active gases Solar irradiance and insolation changes Land-cover changes Direct Radiative Forcing Nonradiative Forcing CHANGE IN CLIMATE SYSTEM COMPONENTS Atmospheric lapse rate Atmospheric composition Evapotranspiration flux Indirect Radiative Forcing Feedbacks CLIMATE RESPONSE Temperature, precipitation, vegetation, etc.

32 Forçante Radiativa dos Gases Estufa Acompanhando o aumento das concentrações dos gases estufa na atmosfera há um aumento na forçante radiativa desses gases Intensificação do efeito estufa, devido ao aumento da absorção da radiação IV terrestre. Esta forçante radiativa pode ser quantificada a partir do aumento na concentração dos gases desde o início da relovução industrial. 1. A intensidade da absorção e o comprimento de onda da absorção no IV térmico são de fundamental importância em estabelecer o quanto a molécula pode ser um importante agente da forçante radiativa 2. O tempo de residência (lifetime) de um gas estufa influencia grandemente seu potencial como um agente radiativo forçante. 3. A quantidade existente de um gas estufa na atmosfera estabelece o efeito que moléculas adicionais do gas podem ter. Para halocarbonos, onde a concentração é próxima de zero é proporcional à concentração atual. Para o metano e óxido nitroso que estão presentes em concentrações que promovem significativa absorção, a forçante é proporcional à raiz quadrada da concentração. Para o CO2 parte do espectro já é praticamente opaco, de modo que moléculas adicionais são quase ineficientes a forçante é logarítima da concentração.

33 Mudança na forçante radiativa (Wm -2 ) devido a mudanças na concentração dos gases estufa Período de tempo CO2 CH4 N2O CFC11 CFC12 Total Forçante radiativa direta dos gases estufa ( excluidos os efeitos radiativos do ozonio) O aumento total da forçante radiativa direta é aproximadamente 2.5Wm-2 É interessante comparar com a constante solar de 1368Wm-2, e a média que chega ao topo da troposfera de 270Wm-2. Este valor leva em conta as variações latitudinais e temporais da insolação.

34 Forçante Radiativa do Ozônio A relação para o ozonio atmosférico é mais complexa devido à sua marcante variação vertical em concentração e absorção. Mudanças na concentração do ozônio podem causar forçantes estufa por influenciar tanto a radiação de curto e longo cumprimentos de onda. A mudança resultante depende da distribuição vertical da concentração do ozônio e é particularmente sensível às variações em torno da tropopausa. Aerosol atmosférico São partículas suspensas no ar com diâmetros na região de to 10 mm. Elas são formadas pela reação dos gases na atmosfera ou pela dispersão de material da superfície. Apesar da massa total ser 1 parte em 109 da massa da atmosfera, o aerosol tem um potencial muito elevado para influenciar a transferência radiativa em curtos cumprimentos de onda.

35 Flux Estimate Particle Size Recentes estimativas das emissões anuais para os principais aerosois- Mt Source Natural Primary Mineral aerosol 1500 mainly coarse Sea salt 1300 coarse Volcanic dust 33 coarse Organic aerosols 50 coarse Secondary Sulphates from biogenic gases 90 fine Sulphates from volcanic SO2 12 fine Organic aerosols from VOCs 55 fine Nitrates from NOx 22 mainly coarse Total 3062 Anthropogenic Primary Industrial dust 100 coarse & fine Soot 10 mainly fine Biomass burning 80 fine Secondary Sulphates from SO2 140 fine Organic aerosols from VOCs 10 fine fine: <1mm diameter; coarse: >1mm diameter Nitrates from NOx 40 mainly coarse Total 380

36 Forçante radiativa indireta O balanço radiativo global é sensível ao albedo de núvens, e mais particularmente aos estratos marinhos de baixo nível, os quais cobem cerca de 25% da Terra. O albedo de núvens é sensível à mudanças na concentreação de gotículas de núvem que dependem dos CCN. Estimativa da forçante radiativa média global (Wm -2 ) devido ao aumento da concentração de gas estufa e da concentração do aerosol. Radiative forcing Wm -2 Uncertainty range Wm -2 Direct greenhouse forcing 2.45 ±0.4 Stratospheric ozone forcing ±0.075 Tropospheric ozone forcing 0.4 ±0.25 Direct aerosol forcing -0.9 ±0.6 Indirect aerosol forcing uncertain (negative) ±0.75 Solar forcing 0.3 ±0.2 Indirect greenhouse forcing

37 EVIDÊNCIAS VIA TEMPERATURA

38 Os oceanos e os continentes se aqueceram

39

40 Os padrões da precipitação mudaram

41 A frequência, a persistência e a magniturde dos eventos El-Nino aumentaram nos últimos 20 anos Anos com El Niño Anos com La Niña O fenômeno El-Nino é responsável por enchentes e secas nos trópicos e sub-trópicos

42 Variabilidade da temperatura global na Terra

43 Balanço de energia Terra Atmosfera

44 Escolher artigo para trabalho Sugestões Data de entrega 29 de novembro de

45 Há seguras evidências de que o Planeta Terra está sofrendo processo de mudança climática!! Podemos prevê-la?