UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
RITA CRISTINA CANTONI PALINI
ANÁLISE DE SÉRIES DE CHUVAS:
CORRELAÇÕES ENTRE REGIMES HIDROLÓGICOS E
NÚMERO DE WOLF
CAMPINAS 2017
RITA CRISTINA CANTONI PALINI
ANÁLISE DE SÉRIES DE CHUVAS:
CORRELAÇÕES ENTRE REGIMES HIDROLÓGICOS
E NÚMERO DE WOLF
Tese de Doutorado apresentada a Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Doutora em Engenharia Civil, na área de Recursos Hídricos, Energéticos e Ambientais.
Orientador: Prof. Dr. Antonio Carlos Zuffo
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA RITA CRISTINA CANTONI PALINI E ORIENTADA PELO PROF. DR. ANTONIO CARLOS ZUFFO.
ASSINATURA DO ORIENTADOR(A)
______________________________________
CAMPINAS 2017
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E
URBANISMO
ANÁLISE DE SÉRIES DE CHUVAS:
CORRELAÇÕES ENTRE REGIMES HIDROLÓGICOS E
NÚMERO DE WOLF
RITA CRISTINA CANTONI PALINI
Tese de Doutorado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Prof. Dr. Antonio Caros Zuffo
Presidente e Orientador/FEC-UNICAMP
Prof. Dr. Edevar Luvizotto Junior
FEC-UNICAMP
Prof. Dr. José Teixeira Filho
FEAGRI-UNICAMP
Prof. Dr. Augusto José Pereira Filho
IAG-USP
Prof. Dr. João Inácio da Silva Filho
UNISANTA-UNIP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a todos os filhos deste mundo. Que com inteligência, amor e sabedoria possamos planejar e realizar nosso futuro com harmonia, respeitando as diferenças, mas, acima de tudo, respeitando e lidando com os eventos naturais sem a pretensão de mudá-los, e sim nos adaptando a eles.
AGRADECIMENTOS
Inicialmente agradeço ao meu marido, Luís, e aos meus pais, Marcos e Ana, por me apoiarem e me ajudarem na realização deste trabalho. Depois agradeço aos meus filhos, Aline, Beatriz e Enzo, por servirem de inspiração para a minha contínua melhoria. Por fim agradeço aos meus amigos e companheiros de trabalho na
Petrobras, Sandra, Célia, Carla, Clara Eduarda, Naumann, Marcela, Ana Patrícia, Viviane, Dourado e Thiago. A torcida e tolerância destes foram fundamentais para a realização das minhas pesquisas.
RESUMO
Ao estudar o comportamento de chuvas e vazões de rios em series longas, é possível verificar comportamentos de ciclos de longo termo (ciclos acima de 80 anos) em quase todas aquelas que estão disponíveis. Esses ciclos podem ser percebidos nas alterações de tendência das médias e nas alterações das amplitudes de variação das intensidades de precipitações e das cotas / vazões em rios nos períodos menores (20-40 anos) que compõe as séries longas de dados. Este trabalho apresenta algumas séries relativamente longas, distribuídas do extremo norte ao extremo sul do Brasil e em outras localidades do mundo e apresenta seu comportamento individual e comparado ao longo do tempo, mostrando que os ciclos existem e persistem, mas não são exatamente coincidentes. Considerar estas mudanças cíclicas na estimativa futura de vazões e volumes de precipitação em obras hidráulicas, de saneamento e de infraestrutura (urbana, industrial, rural) é possível contemplar uma gama maior ocorrências de cenários, materializando medidas mitigadoras em projetos, e evitando riscos futuros em relação a essas obras. Além disso, analisa comparativamente esses ciclos e suas correlações entre si, além de comparar às conhecidas oscilações do número de Wolf, que representam as oscilações da atividade solar ao longo do tempo. Foram observadas importantes correlações entre as séries de longa duração, e foi possível determinar regiões hidrológicas concordantes e alternantes. Quando contíguas, as regiões concordantes podem ser consideradas como uma mesma região hidrológica. Quando não contíguas, denominou-se Teleconexão Positiva. Quando alternantes, denominou-se Teleconexão Negativa. Foi possível observar que algumas bacias possuem regimes bastante concordantes, como por exemplo as representadas pela série do IAG, em São Paulo, e do IAC, em Campinas, principalmente, nas quais, quando utilizada médias móveis de 8 a 22 anos, apresentam ρ>= 0,77, indicando uma forte correlação entre estas.
ABSTRACT
By studying the behavior of rainfall and river flows in series, it is possible to verify long-term cycles (cycles above 80 years) in almost all those that are available. These cycles are observed on changing trend of the rainfall intensities averages and of river levels / flows in smaller periods (20-40 years) that are part on long series of data. This work presents some relatively long series, distributed from the extreme north to the extreme south of Brazil and in other parts of the world and presents their individual and compared behavior through time, showing that the cycles exist and persist, but they are not exactly coincide. Consider these cyclical changes in future flows and volumes estimation in waterworks, sewerage and infrastructure works (industrial, rural, urban) makes possible contemplate a wider range of scenarios, materializing mitigating assets in projects, and avoiding future risk of infrastructure failures. In addition, analyses compared these cycles and their correlations with each other, as well as compare to the Wolf number oscillations, that represent the cyclicality in solar activity over time. Significant correlations were observed between the long-running series, and it was possible to consistent rainfall regimes and alternating rainfall regimes. When contiguous regions have consistent rainfall regime, it’s called as same hydrologic region. When non-contiguous, called themselves Positive Teleconnection. When alternating, called themselves Negative Teleconnection. It was observed that some basins have fairly consistent correlations, such as those represented by the series of IAG, in São Paulo, and the IAC, in Campinas, mainly, in which, when used moving averages of 8 to 22 years, feature ρ > = 0.77, indicating a strong correlation between these, and even more, that they are at the same hydrological region.
LISTA DE SÍMBOLOS
Rz: Número de Wolf ou número representativo das manchas solares
observadas;
K: constante que está relacionada ao tipo de equipamento e o aumento
empregado no momento da observação;
G: é o número de grupos de manchas; F: representa o número de manchas; RG: número de manchas solares de grupo;
Gi: número de grupos de manchas solares observado pelo i-ésimo observador;
ki: fator de correção do i-ésimo observador;
N: é o número de observadores (valor diário);
q (t) ou q (t): vetor velocidade superficial dos ventos no ponto P; Ω ou Ω: é o vetor de velocidade angular;
ρ: densidade mássica do fluido; p: a pressão no ponto P; g ou g: força gravitacional;
Ff ou Ff: resistência do atrito superficial;
T0 : temperatura inicial;
P0 : pressão inicial;
θ: temperatura potencial do ar; R: constante universal para o ar seco; R*: constante universal para o ar úmido; cp : calor específico do ar seco;
cpv : calor específico do vapor d’água a pressão constante;
qs : taxa de saturação ar/vapor;
es : é a pressão de vapor;
mv : peso molecular da água;
Lc : calor latente de condensação;
∆Qsuperficialou ∆Qsup : calor armazenado nas superfícies;
Cs: calor específico das superfícies;
∆T: variação da temperatura na camada ou superfície de estudo; ∆x: espessura da camada;
t : tempo t;
∆Qsun : fluxo de calor do Sol absorvido pelos reservatórios troposféricos e pelos elementos da superfície da Terra;
∆Qirnet : taxa de emissão de radiação LWIR ou IVOL;
∆Qsens ou ∆Qconv : é o fluxo de calor sensível ou de convecção de ar seco);
∆Qlat : fluxo de absorção de calor latente;
asurf ou aij: área superficial envolvida no estudo, ou ainda, aij, área superficial adotada para cálculo;
A, B, C, D e E: constantes tabeladas e relacionadas à taxa de emissão de
energia a partir do Sol e após a passagem pelos bloqueios da magnetosfera e da atmosfera acima da troposfera;
𝛩𝛩e : calculado a partir do ângulo horário, h, a declinação solar δ e a latitude local φ;
σ : constante de Stefan;
Ts,t : é a temperatura superficial do mar (TSM) no instante t;
Ta,t: é a temperatura do ar, no instante t;
ΔQirwin, t : é a perda de LWIR pela transmissão através da janela espectral;
klat: coeficiente empírico de calor na convecção;
PTws: pressão de vapor saturado na temperatura Ts,t, na velocidade de vento W;
PTwa:pressão de vapor saturado na temperatura Ta,t, na velocidade de vento W; Rh : umidade relativa do ar à velocidade de vento W;
ΔT1 ; diferença de temperatura entre a superfície terrestre e o espaço externo, e define a janela de transmissão de LWIR, Tswin. Normalmente igual a Ts,t ou Ta,t;
ΔT2 : diferença de temperatura ar-superfície ponderada (em massa, Ta,t e Ts,t);
ΔT3 : diferença de temperatura entre o ar (Ta,eff,t) e a superfície (Ts,t) utilizada para determinar o fluxo de rede de LWIR;
ΔT4 : taxa de defasagem, que em conjunto com a umidade, determina a
temperatura (e o perfil de temperatura) que define o fluxo de LWIR para baixo. Também definida como Δθe , ou temperatura potencial do ar úmido;
ΔT5 : é o gradiente térmico entre a superfície e a subsuperfície,
Klat: calor latente de evaporação da água;
r : coeficiente de transferência de massa entre a superfície da água e o ar; q*: concentração de vapor d’água correspondente à pressão de vapor e*; q0: concentração de vapor d’água no ar na temperatura e0;
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ...12
2. OBJETIVOS ...15
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...16
3.1 VARIAÇÕES CLIMÁTICAS ...17
3.2 OS PROCESSOS SOLARES COMO AGENTES DE MUDANÇAS CLIMÁTICAS ...24
3.2.1 A ESTRUTURA DO SOL E OS FENÔMENOS CONHECIDOS ... 24
3.2.2 MANCHAS SOLARES ... 31
3.2.3 CICLOS SOLARES ... 33
3.2.4 OUTRAS ASSOCIAÇÕES ASTROFÍSICAS ... 35
3.2.5 EMISSÕES CORPUSCULARES ... 36
3.2.6 MEIO INTERPLANETÁRIO ... 37
3.3 MAGNETOSFERA, ATMOSFERA, HIDROSFERA E LITOSFERA ...39
3.3.1 MAGNETOSFERA TERRESTRE, OS CINTURÕES DE RADIAÇÃO E A PENETRAÇÃO DE PARTÍCULAS NA TERRA ... 41
3.3.2 ATMOSFERA: UM SISTEMA COMPLEXO ... 42
3.3.3 HIDROSFERA ... 57
3.3.4 LITOSFERA ... 62
3.4 EVENTOS IMPORTANTES DE SECAS E CHEIAS NOS SÉCULOS XX E XXI ...65
3.5 EXCESSOS E ESCASSEZ DE CHUVAS: AS VULNERABILIDADES HÍDRICAS ...77
4. MATERIAIS E MÉTODOS ...80
4.1 ORIGEM E ESTATÍSTICA DAS SÉRIES DE DADOS DE LONGA DURAÇÃO ...81
4.1.1 DETERMINAÇÃO DA REGIÃO CENTRAL ... 81
4.1.2 PREENCHIMENTO DAS FALHAS NAS SÉRIES DE CHUVAS ADOTADAS COMO REPRESENTATIVAS DE UMA REGIÃO ... 82
4.1.3 ORIGEM DOS DADOS UTILIZADOS ... 83
4.2 MÉDIAS MÓVEIS E CORRELAÇÃO ENTRE SÉRIES DE DADOS ...90
4.3 OSCILAÇÕES CÍCLICAS NOS PARÂMETROS Q95%, Q7,10 E Q1,10 ... 93
5. RESULTADOS ... 94
5.1. SÉRIES ANALISADAS E TRATAMENTO BÁSICO ESTATÍSTICO ... 94
5.1.1. BRASIL ... 94
5.1.2. ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA ... 114
5.1.3. PORTUGAL ... 122
5.1.4. ARGENTINA ... 129
5.1.5. DADOS DO SOL ... 131
5.2. ANÁLISE DAS CORRELAÇÕES ... 134
6. COMPARAÇÃO ENTRE SÉRIES – TRATAMENTOS POR MÉDIAS MÓVEIS ... 136
6.1. TELECONEXÕES POSITIVAS E NEGATIVAS ... 139
6.2. TELECONEXÃO - MÉDIAS MÓVEIS DE 10 ANOS - ΡCORREL≥ 0,7 ... 140
6.3. COMPARAÇÃO COM OS DADOS DA SÉRIE D RZ ... 143
6.4. TELECONEXÕES: UTILIZAÇÕES PRÁTICAS ... 146
6.4.1. IAC, IAG, CUBATÃO ... 146
6.4.2. APLICAÇÃO DOS CONCEITOS NA ÁREA DE PETRÓLEO E DE PRODUÇÃO DE ENERGIA ...148
6.4.2.1. REFINARIAS ... 148
6.4.2.2. PRODUÇÃO DE ÓLEO E GÁS ... 149
7. CONCLUSÃO ...150
7.1. SUSTENTABILIDADE E A DISPONIBILIDADE DO RECURSO HÍDRICO ... 152
7.2. CRITÉRIOS DE PROJETO E ANÁLISE DE RISCOS EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO ... 152
7.3. CRITÉRIOS DE ORDENAÇÃO E PLANEJAMENTO URBANO ... 158
8. PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS ... 159
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1. INTRODUÇÃO
A vida é uma questão de energia. No planeta Terra, a energia que sustenta toda a vida existente provém, principalmente, do Sol. Este astro fornece o combustível energético que faz crescer vegetais e animais, que aquece as águas e o ar, enfim, que move todos os sistemas componentes da atmosfera, da biosfera e da hidrosfera (BARRY, CHORLEY, 2013; ALMEIDA, 2001; MARSHAL & PLUMB, 2008; BOARD ON GLOBAL CHANGE, 1994).
Os sistemas térmicos sempre buscam o equilíbrio de energia (Lei Zero da Termodinâmica) (HALLIDAY, RESNIÇK, WALKER, 2002). Se existe mais energia entrando, aumenta agitação interna e a busca pela dissipação do excesso de energia. Se a energia se dissipa mais do que consegue ser reposta, a atividade do sistema diminui para evitar gastos desnecessários (2ª. Lei da Termodinâmica) (HALLIDAY, RESNICK, WALKER, 2002).
Encarar os sistemas sobre a litosfera como partes de um grande sistema térmico (RIEGEL, 99), permite equacionar os movimentos e processos na hidrosfera, na atmosfera e na biosfera como partes deste sistema térmico que tendem a buscar o equilíbrio.
Assim, o Sol (primeiro e principal fornecedor de energia) e as fontes de energia profundas, através de fluxos de calor em vulcões, gêiseres e outros , além da emanação comum dessa energia através da crosta terrestre, seriam os doadores de energia. Dentro deste sistema, a energia circularia movimentando os diversos subsistemas, o que é chamado de circulação atmosférica global (BARRY, CHORLEY, 2013). Ainda, parte seria dissipada através da atmosfera, pela emissão, radiação e refletância das superfícies e camadas componentes da superfície atmosférica para o exterior da exosfera (HALLIDAY, RESNICK, WALKER, 2002). Dentro deste sistema, a água teria influência fundamental. Com grande capacidade de acumulação e manutenção de calor ela funciona como um tipo de capacitor, recebendo e acumulando nas situações de excesso de calor e liberando esse calor nas situações em que a
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energia diminui. É assim nos mares, lagos, praias, florestas e desertos. Dimensionando: a mesma quantidade de calor acumulado na atmosfera se encontra também acumulado nos primeiros 10-15 cm de camada de água dos oceanos (BARRY, CHORLEY, 2013, p.3). Entretanto, existe grande quantidade de água em suspensão na atmosfera, cerca de 1% em volume e em média (BARRY, CHORLEY, 2013). Outra questão é: o vapor atmosférico compõe as nuvens, e estas interferem fortemente nos efeitos de refletância, acumulação e radiação da energia incidente na superfície da Terra. Aliás, uma estufa de verdade, daquelas em que são cultivados diversos tipos de plantas, torna-se quente e úmida não porque têm gás carbônico ou metano em seu interior, mas sim porque sua cobertura imita o efeito das nuvens. A falta de circulação de ventos aumenta a retenção do vapor d’água, diminuindo a capacidade de dissipação do calor acumulado e aumentando inclusive a sensação de calor para os humanos. A partir da Tabela 1.1 pode-se observar, em termos gerais, a composição atmosférica gasosa, considerando-se a variação de umidade do ar.
Tabela 1.1- Composição média da atmosfera seca e úmida (em média) Ar seco Ar úmido Gás componente N2 78,08 77,31 O2 20,95 20,74 Ar 0,93 0,92 CO2 0,037 0,037 1 Ne 0,0018 0,0018 He 0,0005 0,0005 O3 0,00006 0,00006 0,001621622 He 0,00005 0,00005 Kr 0,00011 0,00011 Xe 0,0009 0,0009 CH4 0,00017 0,00017 0,004594595 Vapor H20 - 1,00 27,02702703 % Volume X Volume em relação ao CO2
Fonte: Baseado em BARRY, CHORLEY, 2013
Como as precipitações se comportam ao longo das décadas e séculos? Esta é a questão principal que será explorada neste trabalho. Primeiro porque com a ampla discussão sobre o efeito estufa e as mudanças climáticas muito se fala sobre os efeitos em relação aos fenômenos atmosféricos (troposféricos), ou seja, sobre possíveis aumentos de pluviosidade e supostos aumentos de níveis dos mares e rios, sem, entretanto, refletir sobre as seguintes questões: já houve aumento de pluviosidade, de níveis dos mares, degelos? Quais foram as suas causas?
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Para responder a estas perguntas, antes mesmo de pesquisar os efeitos deve-se filosofar sobre as possíveis causas, tal como: Estaria sendo criadas massa e/ou energia espontâneas na Terra (planeta), motivo pelo qual uma pequena quantidade de gás amplificaria sua participação e produziria um acúmulo superior à incidência de energia sobre esse corpo planetário, ou o sistema térmico que chamamos de crosta terrestre (litosfera e hidrosfera) e atmosfera busca equilíbrio e se movimenta nesta busca, chovendo mais ou menos, ventando mais ou menos, aumentando e diminuindo as correntes para equalizar, distribuir e por vezes dissipar/acumular energia?
Este trabalho analisa os períodos de recorrências de tempos mais secos (com menores alturas precipitadas) e mais úmidos (com maiores alturas precipitadas) em séries de longo período (maiores que 80 anos), buscando nestes ciclos de recorrência constatados alguma correlação com os ciclos solares observáveis e buscar outras possíveis explicações para as variações cíclicas de longo período que são importantes em nosso planeta azul.
Assim, para que sejam previstas realmente as movimentações atmosféricas e as precipitações é necessário aumentar o conhecimento a respeito da quantidade de energia, que incidiu neste sistema local e globalmente, no passado e no presente e, assim, estimar seu comportamento no futuro pela associação do modelo aos sistemas térmicos interligados.
O trabalho apresenta o subcapitulo 3.1. Variações Climáticas, no qual será abordado alterações climáticas medidas e sentidas em fatos e dados. No subcapítulo 3.2 Os Processos Solares como Agentes de Mudanças Climáticas, apresenta-se o estado da arte sobre a influência dos ciclos solares nas alterações climáticas. No subcapítulo 3.3 Magnetosfera, Atmosfera, Hidrosfera e Litosfera, será realizada a caracterização dos principais subsistemas interagentes na superfície da Terra. No subcapítulo 3.4 Eventos importantes de secas e cheias nos séculos XX e XXI é mostrada uma coleção de eventos notáveis de secas e cheias. Em 3.5 Excessos e Escassez de chuvas: as vulnerabilidades hídricas localizas na região sudeste as áreas vulneráveis aos excessos climáticos. Após esta revisão bibliográfica, com os conceitos principais, é explicada a metodologia aplicada em 4. Materiais e Métodos. Finaliza-se com 5. Resultados e 6. Comparações entre séries – Tratamento por médias móveis, 7. Conclusão e 8. Propostas para trabalhos futuros, no qual se propõe a expansão das análises dos dados para a regionalização de comportamento futuro, baseado na análise estatística dos dados apresentados.
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2. OBJETIVOS
Os principais objetivos deste trabalho são:
• Analisar estatisticamente as séries de dados de diversos postos hidrológicos e verificar a existência de comportamento cíclico recorrente, que se reflita em mudança de médias precipitadas, amplitude de variação, desvio padrão, dentre outros;
• Verificar a correlação das séries entre si, buscando a similitude ou alternância entre comportamentos;
• Verificar a correlação direta ou indireta com ciclos solares; e,
• Propor diretrizes técnicas de projeto na utilização dos recursos hídricos;
Para atingir os objetivos utilizou-se dados hidrológicos (precipitação e vazão dos rios) históricos de estações pluviométricas, pluviográficas ou fluviométricas disponíveis em diversos bancos de dados no Brasil e no exterior, além de análises estatísticas tradicionais aplicadas a estes.
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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Algumas analogias são recorrentes na condução da pesquisa em tela e a principal delas e a correlação entre os ciclos solares e as variações climáticas. Este trabalho foca na associação entre estes ciclos solares e as chuvas.
Todo esse esforço visa mostrar que a associação destes dois fenômenos auxilia o entendimento físico dos seus principais processos e, a partir deste entendimento, poder-se-ia iniciar a busca pela representação de um modelo climático que apresente comportamento próximo ao que se verifica nos dados atmosféricos (chuva, pressão, temperatura, umidade) coletados.
Pode-se adiantar que já existem trabalhos associando os ciclos solares do El Niño
Southern Oscilation (ENSO), vulgarmente chamados de ciclos de El Niño e La Niña, cuja
periodicidade de aproximadamente 11 e 22 anos. Estes ciclos coincidem com os ciclos das manchas solares, e nestes períodos existe o aumento e/ou redução de pluviosidade nos 5 continentes do mundo.
Em Almeida, 2001, além da comprovação dos aumentos e diminuição de chuvas associadas às atividades das manchas solares em duas estações pluviométricas brasileiras de mais de 100 anos (Fortaleza e Pelotas) verificou-se assertivamente a relação de aumentos de intensidade de chuvas após eventos Magnetic Sector Boundary (MSB) nestas mesmas estações, ou seja, quando a Terra atravessa uma das diversas fronteiras de inversão do campo magnético solar que atinge a Terra.
Já em Vonhof, Kaandorp, 2010, é descrita a completa aderência aos ciclos positivos e negativos das precipitações amazônicas ao El Niño Oscilação Sul (ENOS), numa série paleoclimática de mais de 14.000 anos, na qual é identificado o período atual como um pico mínimo de temperaturas em janeiro. Além disso, descreve as oscilações de temperaturas na planície amazônica na amplitude de aproximadamente 5ºK (ou ºC), e nas montanhas acima de 2.000 m com amplitude de 10ºK (ou ºC).
Grande parte dos estudos sobre o comportamento do Sol é focada na radiação visível do Sol, na radiação Ultravioleta, na radiação Infravermelho, na radiação corpuscular e no campo
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eletromagnético. Não diminuindo a importância de todos estes elementos, mas para um planeta cuja superfície possui 70% de água, esses aspectos não são suficientes. As micro-ondas, por exemplo, são capazes de transmitir e armazenar muita energia em meios aquosos. Já existem alguns estudos relacionando os eventos de registro de emissões de micro-ondas a partir do Sol, inclusive descrevendo ciclos ou intensidades (HOYT, SCHATTEN, 1997).
Outro aspecto importante é que ainda existe muito campo a ser explorado na modelação do albedo, seja pelas alterações na alta atmosfera ou pela alteração na nebulosidade e/ou cobertura de nuvens da superfície, tratando esses eventos com suas médias globais de ocorrências. Sendo a quantidade de água na atmosfera inferior (até 10km) de 0,5% a 1%, (em média) seria uma estrutura cuja influência tem peso relevante nos fenômenos, ainda mais pelo alto calor específico da água.
Existem modelos para as movimentações da atmosfera até 10.000 m (aproximadamente) e da interação atmosfera-oceano. São os chamados modelos de circulação atmosférica (MCA, ou ainda GMC, “Global Model Circulation”) e um dos modelos mais utilizados é o Modelo Tropical de Hadley (MARSHAL & PLUMB, 2008), mas mesmo esse modelo parte de simplificações tais como desprezar as forças de Coriolis nas proximidades da linha do Equador e considerar os ventos na superfície terrestre sem contar com as particularidades (rugosidades) dessa superfície.
Assim sendo, ainda existem inúmeras lacunas a preencher na modelagem do comportamento atmosférico atual, e mesmo na modelagem da circulação atmosférica ao longo do tempo. Para aprofundar esse entendimento propõe-se a observação do comportamento do doador primário da energia que move todo esse sistema: o Sol.
3.1 VARIAÇÕES CLIMÁTICAS
A única constante sobre o clima é a certeza de que este varia. Muitos são os indícios que permeiam as áreas de conhecimento (quais sejam, a geografia, a meteorologia, a oceanografia, a hidrologia): tábuas de marés, descrição climatológica de sistemas ecológicos, curvas de dados fluviométricos e pluviométricos, monitoramento de ventos, dentre outros.
As variações de clima mais comuns e que fazem parte do dia-a-dia de todos são as variações anuais devidas às estações do ano (verão-outono-inverno-verão). As atividades humanas, seja no setor primário, secundário ou terciário, possui estreita ligação com essa
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variação anual e está incorporada no calendário de todas as estas atividades (MARSHAL & PLUMB, 2008).
Entretanto, ao longo dos séculos XVIII, XIX, XX e XXI houve crescente interesse para conhecer e, de algum modo, tentar prever estas alterações climáticas, pois impactam grandemente no crescimento e desenvolvimento econômico e social das nações e civilizações, além de permitir a preparação das comunidades para os eventos de secas e cheias, de tornados e/ou furacões/tufões. É uma questão de sobrevivência.
O primeiro grande ciclo comprovado que é maior que o ano terrestre é o ciclo do El
Niño Southern Oscilation (ENSO), ou ainda, o El Niño Oscilação Sul (ENOS). Ciclo que dura,
em média 11,1 anos, e que agora adentramos em seu 24o ciclo monitorado da história humana (isto é, monitorado direta ou indiretamente há quase 270 anos), atinge a região equatorial e sul do planeta Terra e provoca, ao mesmo tempo, secas e cheias em regiões distintas.
O ENOS é comprovadamente um ciclo regido pelas oscilações de atividade do Sol e sua correlação será bem descrita no item 3.2 deste trabalho. Ele está diretamente ligado à ocorrência e à intensidade das monções na Índia, e no Brasil possui estreita ligação com as cheias no Sul do país, secas na região Nordeste, dentre outros. Foi primeiramente descrita nos anos 1920s pelo meteorologista Gilbert Walker, que lhe atribuiu a denominação “Southern Oscilation”, ou seja, Oscilação Setentrional. A descrição completa do fenômeno coube a Jacob Bjerknes (1897-1975) que descreveu e associação da Oscilação Setentrional a um fenômeno secularmente conhecido nas costas peruanas, que é o aquecimento anual da superfície do mar na época do Natal (e por isso a denominação El Niño, em referência à criança, ou seja, Jesus menino). O fenômeno oposto, ou seja, o esfriamento da superfície marítima na mesma época, quando ocorre, altera as condições de circulação e interação do sistema oceano-atmosfera, e foi denominado La Niña. A partir de então, nos anos 1960s, criou-se o acrônimo El Niño Southern
Oscilation. Esta teoria que descreve a série de interações que modulam o comportamento da
pressão atmosférica, temperatura da superfície do mar, temperaturas na troposfera, níveis de precipitação, área do céu coberta por nuvens (que interfere no albedo), frequência de ciclones/furacões e tornados, índices de relâmpagos, ventos e toda a vida na região equatorial, tropical e subtropical nas Américas e no sudeste Asiático (MARSHAL & PLUMB, 2009; ALMEIDA, 2011).
No Brasil, na Austrália, na África do Sul e no oeste dos EUA, a mais de 40 anos têm sido demonstradas as diversas correlações entre o ciclo de 11 anos (ENOS) e o ciclo de 22 anos ou ciclo de Hale (dois ciclos de Schwabe ou dois ciclos ENOS). O ciclo de 22 anos está diretamente ligado à inversão da polaridade das manchas solares, e também será melhor descrito
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no item 3.2. Entretanto, como pode ser constatado ECHER et al, 2003, o ciclo de 11 anos e de 22 anos é bastante evidente, e ainda, em Rigozzo, 1998, Vuille, 2000, Vuille, Bradley, e Keimig, 2003, são descritas as correlações entre o ENOS, com os períodos de El Niño e La Niña, e suas anomalias na temperatura superficial do mar (SSTA) e com eventos de aumento e diminuição de chuvas tanto na região amazônica, como na região andina quanto no altiplano boliviano, mostrando que a extensão do fenômeno é continental. De fato, estes estudos mencionam que o fenômeno é extensivo às áreas equatoriais, tropicais e subtropicais, das Américas e da Ásia. Entretanto, o efeito não é o mesmo em todos os lugares. Em Vuille, 2000, é descrito o seguinte:
“(...) Este eventos quentes no Atlântico são importantes quando se observa a associação deles às precipitações anormais no continente sul-americano tropical, causada pela troca dos ventos nos dois hemisférios através das isotermas que vão de encontro às águas mais quentes que descansam sob a confluência da baixa pressão que define um dos aspectos da ITCZ (Intertropical Confluence Zone). As trocas/mudanças nos ventos no nordeste da América do Sul em fevereiro, quando do Atlântico Sul é o mais quente, e as trocas/mudanças dos ventos no sudeste da América do Sul são mais intensas em agosto, quando o Atlântico Norte é o mais quente. (...) Durante eventos mais quentes do Atlântico Norte tropical, que estão associados ao ENOS (no Pacífico), uma redução importante dos ventos do nordeste da América do Sul é seguida por uma mudança para norte da ITCZ. Por sobre o Atlântico Sul tropical ocorre o fortalecimento de um sistema de alta pressão subtropical, incluindo o reforço das mudanças de ventos no sudeste da América do Sul. Todas as alterações estão intimamente ligadas às secas no nordeste do Brasil e na Bacia Amazônica (...).”
No entanto, as opiniões sobre a variabilidade provocada pelo ENOS são ainda controversas. Isto porque os cientistas procuram um padrão único, ou ao menos, mais uniforme: uma seca extensiva, enchentes abrangentes. Entretanto, os efeitos por vezes são do tipo “gangorra”, isto é, enquanto provoca aquecimento e tempos úmidos em alguns dos sítios sobre sua influência, provoca esfriamento e tempos secos em outros sítios. Ver exemplo da seca no Brasil em 1953 ao mesmo tempo que a Holanda sofria sua maior enchente, e novamente a seca deste ano de 2014 no Brasil e as enchentes na Europa, que na Sérvia se atribui a maior enchente dos últimos 100 anos).
As constatações científicas sobre as consequências do El Niño no Atlântico Sul tropical vão desde um aquecimento fraco até uma resposta significante, incluindo eventos de
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esfriamento. Por exemplo, durante a fase La Niña, a resposta é inversa à do Pacífico, significando baixas temperaturas superficiais das águas no norte do Atlântico Tropical, reforço das mudanças de ventos do nordeste do Brasil e a redução da pressão atmosférica nas proximidades do equador, enquanto que a zona de convergência (ITCZ) se move para o sul (VUILLE, 2000).
Já no pacífico, próximo ao norte da América do Sul a superfície do mar possui altas temperaturas nos anos em que o El Niño ocorre. São estas águas quentes que bloqueiam a surgência de águas frias no Pacífico, na costa oeste da América do Sul, e as precipitações no trimestre dezembro-janeiro-fevereiro possuem o seguinte comportamento: a noroeste das montanhas do Equador existe o decréscimo de chuvas, com aumento de chuvas a leste dos Andes (VUILLE, 2000).
Para o ano de 2014, a configuração do desenvolvimento do ENOS está retratada nos boletins mensais do INPE. Na Figura 3.1 é possível verificar o aquecimento da superfície ao longo da linha do equador e na região intertropical identificada pelas cores quentes (amarelo, laranja e vermelho).
Figura 3.1-Anomalia de Temperatura na Superfície do Mar (TSM) no Pacífico (15/07/14 a 22/07/14)
Fonte: INPE/CPTEC, 2014, baseado em NCEP/NOAA - EUA
O fenômeno indica uma tendência de aumento de temperatura da superfície do mar (TSM) em praticamente todo o pacífico equatorial, tropical norte e sul, chegando até à zona temperada do Pacífico Sul. Este aquecimento intensificado foi impactado pelo aquecimento das águas subsuperficiais em função da propagação para leste de uma onda de Kelvin oceânica (com águas anormalmente quentes na faixa de 150 m de profundidade).
35 N 30N 25N 20N 15N 10N 5N 0 5S 10S 15S 20S 25S 30S 35S
120E 140E 160E 180 160W 140W 120W 100W 80W -3,5 -3 -2 -1,5 -1 -0,5 0,5 1 1,5 2 3 4 5
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Neste boletim INPE/CPTEC, de julho de 2014, foi explicitado que:
“A maioria dos modelos de previsão climática apontam para o desenvolvimento da fase quente do fenômeno El Niño-Oscilação Sul (ENOS) no decorrer do trimestre de JAS/2014 (Julho, Agosto e Setembro / 2014). Entretanto, apesar da concordância entre os modelos, há um consenso entre os especialistas de previsão climática de que esta fase quente do ENOS venha se configurar com mais intensidade na primavera (SON/2014). Contudo, ainda há incertezas em relação à sua intensidade”.
Embora o ENSO (El Niño Southern Oscilation), ou ENOS (em português) seja um elemento de impacto na circulação atmosférica, existem outros ciclos de maior extensão no tempo que impactam, até com maior potencial de impacto em alterações de temperatura e umidade do que as provocadas pelos ciclos ENOS. Esclarecendo, existem outros ciclos climáticos de maior amplitude de tempo que provocam variações climáticas também bastante maiores, tanto em termos de temperatura, mas principalmente em termos de precipitação e umidade.
Em estudos recentes, tais como Prestes, 2009 e Rigozo, 1999, o registro de tais alterações atmosféricas em função das alterações solares foram constatados com métodos diferentes, embora baseados na análise de crescimento de anéis de árvores.
Em ambos estudos, foram constatadas as evidências de ciclos de 11 anos (Schwabe, associado ao ENOS), 22 anos (Hale), 52 anos (quarto harmônico do ciclo de Suess) e do ciclo de Gleissberg, além de uma forte presença de um ciclo de 5 anos (segundo harmônico do ciclo de Schwabe), com alterações climáticas bem marcadas nos anéis destas árvores, no sul do Brasil e do Chile.
Em Prestes (2009) e as séries geofísicas e climatológicas foram estudadas pela análise Espectral clássica, Ondeleta e Ondeleta-cruzada, permitindo identificar as características não estacionárias das periodicidades em cada série. Por esses métodos foi possível detectar associação da variação dos anéis de crescimento de árvores na região Sul do país, onde foi possível identificar o ciclo de Schwabe (11 anos), de Hale (22 anos), quarto harmônico do ciclo de Suess (52 anos) e o ciclo de Gleissberg (80 anos), com significância estatística de cerca de 95%. Além disso, não se detectou alteração de intensidade desses ciclos tanto para os últimos
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200 anos quanto para os últimos 300 milhões de anos. Com base nessas informações, pode-se dizer que as mudanças climáticas observadas, tanto em relação à duração dos ciclos, quanto à intensidade das alterações observadas nos anéis das árvores, não diferem, mostrando que a influência antrópica não pode ser detectada nesses registros.
Vonhof, Kaandorp, 2010 apresentam resultados que indicam a variação do deflúvio superficial em acordo com a variação da insolação superficial (W/m²) na latitude 6ºS, além do já conhecido comportamento de monção, associado ao fenômeno ENOS (ciclo de Schwabe).
Ainda segundo Vonhof, Kaandorp, 2010, o ciclo mais fortemente associado a essas variações milenares é o ciclo de Milankovitch, que são variações orbitais terrestres que alteram a intensidade de energia solar que chega à superfície na ordem de 10%, ou até mais. Alterações em camadas de gelo andinas, nos sedimentos das bacias e em cavernas equatoriais e amazônicas, alterações nos registros de isótopos de oxigênio em aquíferos subterrâneos, alterações em anéis de árvores fossilizadas são algumas das formas de medição dessas alterações em relação à temperatura e à precipitação provocadas pela alteração de energia solar que incide sobre a terra nessas situações.
Silva, 2007, assim como Haffer, 1992, descrevem o ciclo de Milankovitch, que na verdade é a composição de três outros ciclos: o da precessão (cerca de 22.000 anos), o da obliquidade (cerca de 41.000 anos) e o da excentricidade (100.000 anos).
A precessão atua mais fortemente no equador, e seu efeito vai se atenuando em direção aos polos, e provoca deslocamentos nos limites climáticos das zonas adjacentes.
A obliquidade reflete a mudança da inclinação do eixo terrestre, que varia de 22º a 24,5º. A excentricidade se refere à excentricidade da órbita da terra que oscila entre 0,06 (bastante elíptica) a 0,001 (mais circular), estando atualmente em 0,01. O nome do ciclo se deve ao seu descobridor, que fez os cálculos em 1938. Entretanto, apenas em 1976 foi confirmada a associação destes ciclos às glaciações.
Haffer, 1992, ressalta que a análise sedimentar de bacias na região amazônica indica, conforme pode ser observado na Figura 3.2, inclusive com aderência aos ciclos de Milankovitch, que houve períodos de seca prolongada nos quais a floresta amazônica praticamente deixou de existir em diversas regiões.
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Figura 3.2-Variação de isótopos elementos químicos em bacias sedimentares na região amazônica e no sedimento correlacionada às variações de incidência de energia solar em sua superfície ao longo do tempo
Fonte: Haffer, 1992
1. Uma comparação de vários dados sulamericanos de clima durante o Holoceno mostra a tendência para condições mais úmidas ao sul do equador. Isto é visível nas alterações do isótopo de oxigênio presente nos depósitos de CaCO (carbonato de cálcio) e na água intersticial presa nas estalagmites Peruana (curvas a) e b)). Uma alteração de isótopo similar foi encontrada nas camadas de gelo permanente na região de Huascarán, a mais de 6700 (curva c)). Ao norte da costa Venezuelana, condições progressivamente secasestão marcadas nos sedimentos marinhos, em elementos como titanium e ferro (curva (d). Estas mudanças são provavelmente associadas à lenta migração da ITCZ em direção ao sul ocasionada pelo ciclo de Milankovitch. A curva e) reflete o registro da curva de insolação no mês de fevereiro na latitude 6ºS. Fonte: Haffer, 1992
2. As referências para os isótopos são os padrões V-PDB (Vienna Pee Dee Belemnite) e V-SMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water). Fonte: Vonhof, Kaandorp, 2010
δ 18O ( ‰ V -S M O W) fl u íd o ad sor vi d o δ 18O ( ‰ V -P DB ) no Es p el eote ma (C ar íac o) δ 18 O ( ‰ V -S M O W ) H u as car án In sol aç ão Ja n -Fe v 6 ºS ((W/ m ²) Ti % d a Ba ci a Ca rí a co
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Diversos autores têm mostrado o Sol, a energia solar, e as suas variações como um dos principais elementos do processo de mudança climática. Um dos exemplos destes autores é Marsh, que em seu artigo em 2012 afirma: muito, senão todo, do aquecimento global presenciado no final do século 20 se deve mais às causas naturais (atividades vulcânicas, atividade solar, circulação oceânica) do que a causas antrópicas.
3.2 OS PROCESSOS SOLARES COMO AGENTES DE MUDANÇAS CLIMÁTICAS
O Sol, estrela central do nosso pequeno sistema, está submetido a diversos ciclos astronômicos que interferem na intensidade dos eventos em seu sistema interno.
Descrevendo-o de forma breve, pode-se dizer que é uma estrela gasosa que produz sua energia a partir de reações termonucleares em seu interior, da qual converte hidrogênio em hélio por meio de fusão nuclear dos átomos de hidrogênio (OLIVEIRA Fº; SARAIVA, 2014).
3.2.1 A ESTRUTURA DO SOL E OS FENÔMENOS CONHECIDOS
Basicamente, o Sol pode ser dividido em seis camadas (ver Figura 3.3), denominadas de coroa (mais externa), cromosfera, fotosfera, zona convectiva, zona radiativa e núcleo (mais interna). Além dessas camadas, existem as proeminências, que ocorrem na região da fotosfera e da cromosfera e são estruturas dinâmicas enormes e brilhantes, que podem originar os flares (oriundos dos colapsos das manchas solares e/ou dar origem à ejeção de massa coronal (MCE,
Mass Coronal Ejection), que é o lançamento de matéria a partir da coroa solar para o espaço
externo (OLIVEIRA Fº; SARAIVA, 2014), e que chega a terra em quatro dias. Embora as ejeções de massa coronal não tenham comportamento cíclico comprovado, seus eventos impactam grandemente na atmosfera provocando danos a satélites, às estruturas elétricas e de telecomunicações no solo, dentre outros efeitos.
Outro fenômeno importante e cíclico do Sol são as Manchas Solares. Este fenômeno ocorre principalmente na fotosfera. São constituídas de duas partes: a umbra, central e mais escura (temperaturas da ordem de 3000 K), e a penumbra, região um pouco mais clara e radial no entorno da umbra. As manchas são mais frias que a maior parte que a fotosfera, que tem temperatura na ordem de 6000 K, pois o campo magnético local impede a convecção, e assim o calor das partes mais internas não chega até à fotosfera (OLIVEIRA Fº; SARAIVA, 2014;
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ALMEIDA, 2001). As manchas solares tendem a se formar em grupos (no mínimo, em pares) e estão associadas a intensos campos magnéticos no Sol. O ciclo completo é de cerca de 22,3 anos, dividido em dois ciclos menores, sendo que a diferença entre os dois é a polaridade do campo magnético, que inverte a cada ciclo médio de 11,1 anos (ALMEIDA, 2001).
Além da radiação eletromagnética do Sol, existe o seu campo magnético (e sua extensão) e a radiação corpuscular (na forma de ventos solares e raios cósmicos), sendo que todos atingem o planeta Terra.
Em função do campo magnético do Sol (Figura 3.4), existe o campo magnético interplanetário (Interplanetary Magnetic Field, o IMF), que possui um desenho muito característico, conhecido como “Espiral de Parker” (ou ainda, vulgarmente chamado de “saia de bailarina”) e a Terra cruza os máximos e mínimos deste campo a cada 27 dias da Terra aproximadamente (um dia solar), embora haja grande variabilidade deste período de recorrência, pois depende da trajetória do planeta, e da posição da Terra em relação ao Sol (pois nos polos o dia solar é de aproximadamente 25 dias terrestres e no equador solar, o dia é de aproximadamente 36 dias terrestres), que também não é constante (ALMEIDA, 2001). A variação deste campo magnético durante a trajetória da Terra através dele modifica a incidência das partículas de energia sobre a terra.
Figura 3.3- Estrutura esquemática do Sol
26 Figura 3.4-(Campo Magnético Interplanetário (IMF) ou “Espiral de Parker”)
Fonte: ALMEIDA, 2001
Uma das formas interessantes de ver o Sol é por meio de diferentes comprimentos de onda, nos quais se visualiza a matéria a diferentes temperaturas. As imagens EIT (Extreme
ultravioleta Imaging Telescope, ou ainda, Telescópio de Captura de Ultravioleta Extremo)
(SOHO, 2014). Assim, para o comprimento de onda eletromagnética de 304 Å, a matéria se encontra entre 60.000 e 80.000 K, para comprimento de onda de 171 Å, a temperatura fica em cerca de 1x106 K e para cerca de 284 Å, em 2x106 K (SOHO, 2014). As Figuras 3.5, 3.6 e 3.7 mostram imagens formadas por ondas eletromagnéticas nos comprimentos de 304 Å, 171 Å e 284 Å. Importante frisar que quanto maior a temperatura, mais alto da atmosfera solar a imagem está sendo registrada.
A maior parte dos dados é obtida, principalmente, por três tipos de tecnologia: ou pelo EIT (que já foi apresentado), ou pelo LASCO (Large Angle Spectrometric Coronagraph, ou ainda, Espectrômetro Coronógrafo de Anglo Largo) ou MDI (Michelson Doppler Imager, ou ainda, Criador de Imagens Doppler Michelson).
27 Figura 3.5- Imagem obtida por meio do EIT, comprimento de onda de 304 Å (Temperaturas entre 60.000 K
e 80.000 K)
Fonte: SOHO, 2014
Figura 3.6- Imagem obtida por meio do EIT, comprimento de onda de 171 Å (Temperatura aprox.. 1.000.000 K)
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Figura 3.7-Imagem obtida por meio do EIT, comprimento de onda de 171 Å (Temperatura aprox.. 2.000.000 K)
Fonte: SOHO, 2014
As imagens LASCO da Coroa Solar são obtidas bloqueando-se a luz direta que vem do Sol, criando um eclipse artificial (o disco branco nas Figuras 3.8 e 3.9 são os bloqueadores solares). As imagens podem ser divididas em dois tipos: C2, que registra a coroa solar interna (com cerca de 8,4 milhões de quilômetros) e C3, que registra a coroa solar externa, que chega a 45 milhões de quilômetros, ou a metade do diâmetro da órbita de Mercúrio. Algumas estrelas mais brilhantes podem ser vistas nas imagens C3. Os raios brilhantes vistos nas duas imagens são correntes coronais e é possível localizar eventos CME a partir destas imagens (SOHO, 2014).
As imagens MDI (Figuras 3.10 e 3.11) são obtidas pela captura de faixa de frequência próxima ao comprimento de onda de 6768 Å, e representa a imagem mais real que visível do Sol, caso fosse possível visualizá-lo a olho nu, sem proteção.
29 Figura 3.8-Imagem LASCO C2
Fonte: SOHO, 2014
Figura 3.9-Imagem LASCO C3
Fonte: SOHO, 2014
O magnetograma (Figura 3.11) é imagem que mostra os campos magnéticos da fotosfera com as manchas pretas e brancas indicando polaridades opostas.
30 Figura 3.10-Imagem MDI Continuum
Fonte: SOHO, 2014
Figura 3.11-Imagem MDI Magnetograma
Fonte: SOHO, 2014
Existem outras fontes de dados de medição direta das atividades solares. A medição da irradiância total do Sol, monitoração da emissão de prótons, das partículas carregadas de
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energia a partir de “flares”, monitoração de raios-X, monitoramento da intensidade de hélio, são algumas das medidas mais frequentemente tiradas nos dias de hoje (SOHO, 2014). Entretanto, o maior índice da atividade solar são as manchas solares, em sua quantidade e intensidade de atuação.
3.2.2 MANCHAS SOLARES
O fenômeno mais conhecido da atividade solar, cujo controle é exercido por seu campo magnético solar, é o ciclo de aproximadamente 11 anos de manchas solares (1 ano de Júpiter). As manchas solares (ver Figura 3.12) formam-se na fotosfera e o campo magnético destas manchas é intenso (por vezes superior à 3000 Gauss), assim como a sua energia, por conta do aprisionamento do plasma solar. A falta de contato desta porção matéria-energia com o meio ao redor (por causa do campo magnético elevado localizado) permite o resfriamento do gás (sua temperatura abaixa para 3000 K), conferindo a ele cor escura, que faz com que se possa distingui-las. Aparecem sempre em grupos de duas ou mais manchas (que aparecem em latitudes entre 20º-25º), com uma mancha-líder. A polaridade destas manchas se inverte em ciclos aproximados de 11,1 anos, e o ciclo completa é de, em média 22,3 anos, o chamado ciclo de Hale (OLIVEIRA Fº; SARAIVA, 2014).
Existe, neste sistema, curioso descompasso: enquanto a polaridade do campo magnético solar é revertida no período de máxima atividade solar do ciclo, a polaridade das manchas solares é revertida no início de cada ciclo (ALMEIDA, 2001). Conforme o ciclo progride, as manchas solares surgem cada vez mais próximas ao Equador solar. Na Figura 3.12 é possível visualizar as manchas solares presentes na fotosfera no dia 24 de abril de 2014, cerca de 9 manchas amarronzadas nas latitudes próximas ao equador solar.
O mais simples índice para expressar o nível de intensidade e a polaridade do campo magnético solar é o número relativo de manchas solares (Rz), que também é chamado de Número de Wolf (Rz). A equação que fornece esse índice é dada por:
𝑅𝑅𝑧𝑧 = 𝐾𝐾(10 × 𝐺𝐺 + 𝐹𝐹) 3.1
Em que K representa uma constante que está relacionada ao tipo de equipamento e o aumento empregado no momento da observação, G é o número de grupos de manchas e F representa o número de manchas.
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O maior e o menor número de manchas solares ocorrem respectivamente durante os períodos de máximas e de mínimas atividades solares. No ciclo solar é de 11,1 anos existe uma fase ascendente variando entre 4 e 5,5 anos e uma fase descendente, mais longa, entre 5 e 6,5 anos. O espectro fino deste ciclo solar de 11 anos apresenta, ao se observar mais proximamente o seu comportamento, um tripleto de picos adjacentes em torno de 9,8; 10,7 e 12,5 anos (ALMEIDA, 2001).
Figura 3.12-Imagem em luz branca do sol, onde é possível ver manchas solares
Fonte: SOHO,2014
O número RG foi construído para ser mais autoconsistente e menos suscetível às
oscilações pontuais do número de manchas solares do que o RG, e é dado pela equação 3.2.
𝑅𝑅𝐺𝐺 = �12,08𝑁𝑁 � × ∑(𝑘𝑘𝑖𝑖 × 𝐺𝐺𝑖𝑖) 3.2
Em que Gi é o número de grupos de manchas solares observado pelo i-ésimo observador, ki é o fator de correção do i-ésimo observador, N é o número de observadores (valor diário) e 12,08 é o fator de normalização da média obtido a partir da série de manchas de 1874-1976, e foi calculado e apresentado por Hoyt e Schatten em 1998 (apud Echer et al, 2003).
33 3.2.3 CICLOS SOLARES
Existem 4 ciclos solares relacionados às manchas solares, de importante impacto no comportamento atmosférico terrestre (ALMEIDA, 2001; ECHER et al, 2003; GUERRERO, 2009; RIGOZO, 2007):
• Ciclo de Schwabe – ciclo de cerca de 8 a 13 anos, com média histórica de cerca de 11,1 anos;
• Ciclo de Hale – composição de dois ciclos de Schwabe, mas com polaridades diferentes, tem duração mínima de 14 anos e máxima de 27 anos;
• Ciclo de Gleissberg – Ciclos que variam de 67 a 100 anos, com média de 87 anos, também múltiplo dos ciclos de Schwabe e Hale;
• Ciclo de Suess – Ciclo que varia de 150 a 250 anos, ligado a um significativo aumento/ redução das manchas solares, de amplitude muito mais significativa que a todos os outros ciclos anteriormente citados e normalmente associado às ocorrências de pequenas eras glaciais da idade média;
• Ciclo de Hallstattzeit – ciclo que alguns atribuem às manchas solares e outros atribuem à interação oceano-atmosfera, de cerca de 2.300, com último período de baixa nos anos coincidindo com o mínimo de Maunder (1625-1715), com um máximo ocorrendo em 2.800 e outro mínimo ocorrendo em 3.950.
A sobreposição desses ciclos produz o gráfico da Figura 3.13, construído a partir dos dados obtidos pelo observatório de Bruxelas, para o hemisfério Norte, utilizando RG, no qual é
possível notar uma diversidade de tipos de ciclos.
Gráfico 3.14 indica as eras do número de manchas solares de Wolf (Rz) obtido com a
reconstituição de dados a partir de marcação de anéis de árvores, contagem de isótopos de hidrogênio em bacias sedimentares, além de observação de relatos históricos nos últimos 1000 anos de observações.
34 Figura 3.13-Número de Manchas Solares de Grupo RG - século XVII a século XX
Fonte: Echer et al, 2003
Figura 3.14-Máximos e mínimos solares utilizando o número de Wolf (Rz)
Fonte: Echer et al, 2003
Observam-se nesses gráficos as seguintes ocorrências dos seguintes mínimos solares:
OORT – Mínimo da Idade Média (1070-1150); WOLF – Mínimo da Idade Média (1300-1380);
SPÖRER – Mínimo na transição da Idade Média para a Idade Moderna (1425-1520), de
igual intensidade ao mínimo de Wolf;
MAUNDER – Primeiro mínimo moderno, entre os anos de 1625 e 1715;
DALTON – Último mínimo relevante entre 1780-1840, coincidindo com período bem
35
Esses períodos coincidem com períodos de aumento de intensidade do frio, períodos estendidos de inverno, e no caso do mínimo de Maunder (1625-1715), uma pequena era glacial, bem evidente na Figura 3.13.
3.2.4 OUTRAS ASSOCIAÇÕES ASTROFÍSICAS
Existem algumas outras influências nos ciclos solares e terrestres ainda sendo pesquisadas, ligadas aos nossos vizinhos planetários mais próximos, principalmente Júpiter, seguido de Saturno. Estas pesquisas estão ligadas à influência do campo magnético destes dois planetas no comportamento e oscilação dos ciclos naturais, tanto terrestre quanto solar.
Desde a antiguidade se associa as oscilações de marés aos ciclos lunares, conexão essa que permanece confirmada ao longo dos séculos. A variação da distância entre a Terra e a |Lua, e por consequência o aumento e/ou diminuição da intensidade gravitacional sobre a atmosfera e a hidrosfera, provoca oscilações significativas no nível do mar nos diversos pontos do planeta. Um conhecido ciclo lunar, o ciclo de Saros, com cerca de 18,6 anos, também chamado de precessão da órbita lunar ou dos nodos lunares, à medida que a Lua revolve em torno da Terra, o plano de sua órbita vai girando no espaço e completa 360° em 18,6 anos. As interações entre os campos magnéticos terrestres e lunares provocam, normalmente, uma oscilação de cerca de ± 6 cm no nível do mar em todo o globo terrestre.
Essa alteração, conhecida a mais de 60 anos, não tem sido considerada nas medições do “derretimento” da calota polar ártica e essa oscilação é a mais significativa no hemisfério Norte do planeta (MOLION, 1998).
Além dessa oscilação comprovada, recentemente alguns astrofísicos têm levantado evidências significativas da influência de Júpiter e Saturno nos fenômenos cíclicos tanto terrestres quanto solares. Os portes destes dois planetas, assim como as suas localizações, podem interferir de diversas formas nos ciclos do sistema solar ao qual a Terra pertence, e algumas coincidências devem ser destacadas:
• Júpiter completa uma órbita ao redor do Sol a cada 11,86 anos, ou seja, duração muito próxima ao ciclo de Schwabe, assim como do ciclo ENOS; e,
• Saturno tem seu período de translação em torno do Sol com duração de 29 anos e 167 dias, com certa silimilaridade ao ciclo de Hale.
Júpiter é o único planeta cujo centro de massa com o Sol fica fora do último, 1,068 raio solar (ou seja, 7% acima da superfície solar). A distância média entre Júpiter e o Sol é de 778 milhões de quilômetros, cerca de 5,2 UA. Júpiter completa uma órbita em torno do Sol a cada
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dois quintos da órbita de Saturno, formando a ressonância orbital de 5:2 entre os dois maiores planetas do Sistema Solar.
Saturno gira em torno do Sol em uma distância média de 1,418 bilhões de quilômetros em uma órbita de excentricidade 0,056, com um afélio a 1,500 bilhões de quilômetros e o periélio a 1,240 bilhões de quilômetros. Saturno esteve no periélio em 1974.
Os elementos orbitais de Saturno são alterados em uma escala de 900 anos pela ressonância orbital do tipo de 5:2 já mencionada com o planeta Júpiter, batizado pelos astrônomos franceses do século XVIII como a grand inégalité ("grande desigualdade"), na qual Júpiter completa 5 retornos para cada 2 de Saturno. Os planetas não estão em uma ressonância perfeita, mas são suficientemente próximo de modo que os distúrbios de suas órbitas sejam apreciáveis.
O que será que acontece com a atividade solar quando se combinam os efeitos desses dois planetas? Quais as influências destes astros nos comportamentos climatológicos do Sol e da Terra.
Molion, 1998, em seu artigo publicado no Congresso Brasileiro de Meteorologia, em Brasília, apresenta indícios que associam os eventos ENOS, as secas no Nordeste e a duração do ano jupteriano. Apresenta também correlação entre estes eventos e erupções vulcânicas, terremotos e maremotos e outros tipos de movimentação da crosta terrestre e da hidrosfera que possuem ciclo coincidente com estes ciclos solares e do ciclo anual de Júpiter.
Este tipo de questão merece atenção e deve ser pesquisada nos fóruns adequados, quais sejam, os centros de pesquisa astronômicas, astrofísicas e geofísicas.
3.2.5 EMISSÕES CORPUSCULARES
As erupções solares ocorrem no colapso das manchas solares. O campo magnético que aprisiona as porções de plasma nas manchas ao colapsar libera o plasma resfriado que entra em contato com a fotosfera muito mais quente ao seu redor esse contato brusco pode provocar erupções, mais conhecidas como flares, conforme pode ser observado na Figura 3.15.
Estas erupções solares duram pouco: de alguns minutos a algumas horas e, durante esse período, é liberada uma grande quantidade de radiação abrangendo uma extensa faixa do espectro eletromagnético, além da ejeção de partículas com grande quantidade de energia, principalmente prótons e elétrons (ALMEIDA, 2001).
As emissões corpusculares de elétrons e prótons relativísticos (10-200 MeV) são frequentemente emitidos por grupos maiores de manchas solares e chegam à Terra cerca de
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uma a duas horas depois da ocorrência de um flare. As partículas são direcionadas ao longo da espiral do campo magnético interplanetário (IMF), ou ainda, a Espiral de Parker (apresentada no Item 3.1.1 deste trabalho).
Estes mesmos fluxos de prótons e elétrons, também chamados de fluxos de raios cósmicos solares (SCR), podem ser ejetados de regiões específicas da coroa solar, e essas regiões são denominadas de regiões-M, com recorrência aproximada de 27 dias.
Figura 3.15-“Flares” registrados pela SOHO (centro-esquerda) em maio de 2014.
Fonte: SOHO, 2014
O evento de emissão de grande quantidade de massa a partir da coroa solar é chamado de evento CME, ou Coronal Mass Ejections, e um exemplo disso é o flare cuja imagem foi registrada na Figura 3.13. As partículas e radiações de flares originários de CME e que chegam à Terra provocam alterações na atmosfera, interferindo por vezes em satélites e estruturas elétricas e de telecomunicações na superfície da Terra. A frequência de ocorrência de CME tem sido monitorada e estudada para compreender a interação Sol-Terra (ALMEIDA, 2001).
3.2.6 MEIO INTERPLANETÁRIO
O meio interplanetário que interessa para a análise da interação Sol-Terra é o que preenche este espaço, obviamente. Os fenômenos que mais interessam para o estudo em questão
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e que ocorrem nesse ambiente são: o vento solar, os setores magnéticos solares e os raios cósmicos galácticos.
3.2.6.1 VENTO SOLAR
Além da radiação eletromagnética e de flares, o Sol emite um fluxo contínuo de partículas na forma de vento solar. Embora o vento solar seja contínuo, ele não é constante. As variações, normalmente, são fruto das variações de velocidade e densidade deste vento solar, que são provocadas, além das variações de intensidade advindas do próprio Sol, pelas oscilações de campo magnético do IMF.
Cerca de 1% da energia contida no vento solar é transferida para dentro da magnetosfera terrestre, e essa transferência é muito mais efetiva quando o IMF tem componente de magnitude substancialmente grande e oposta ao campo geomagnético e que está na direção “z” (sentido perpendicular à superfície) do sistema de coordenadas geralmente utilizado para o meio interplanetário.
Quanto maior a atividade solar (e maior o número de manchas), mais intensa é a emissão do vento solar (ALMEIDA, 2001).
3.2.6.2 SETORES MAGNÉTICOS SOLARES
A Terra, em seu movimento de rotação ao redor do Sol, às vezes está acima ou abaixo da superfície que divide as linhas de campo magnético opostas do IMF. Em geral, de duas a quatro vezes por período de rotação solar (~27 dias), a Terra passa por fronteiras de regiões do
espaço interplanetário com diferentes polaridades do campo magnético Quando o IMF e os campos geomagnéticos têm a mesma polaridade o nome de setor é setor
magnético solar para a Terra. A superfície separando as regiões de diferentes polaridades do IMF dá-se o nome de corrente heliosférica (Heliospheric Current Sheet, HCS). A superfície é curva por causa da rotação solar. Em cada um destes setores, o campo magnético interplanetário está apontando em direção ao Sol (-) ou em direção oposta ao Sol (+). Quando a Terra atravessa uma fronteira de setor magnético solar, temos um evento MSB (Magnetic Sector Boundary), e nestas datas, as velocidades e densidades do vento solar e campos magnéticos são maiores e tempestades geomagnéticas podem ocorrer (ALMEIDA, 2001).
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3.2.6.3 RAIOS CÓSMICOS GALÁTICOS
Os raios cósmicos galácticos (Galatic Cosmic Rays, ou GCR) são influenciados pelos setores magnéticos do IMF. O acesso dos GCRs ao planeta Terra é bloqueado parcialmente pela estrutura magnética do espaço interplanetário, principalmente durante o período de máxima atividade solar, quando há aumento do número de eventos de prótons solares de alta energia. O movimento destas partículas gera ondas de choque que obstruem o movimento de GCR no meio interplanetário. Este fenômeno é conhecido como decréscimos Forbush (Forbush, 1954).
Portanto, os GCR chegam à Terra em número máximo durante os anos de mínima atividade solar. Durante o período de atividade solar alta, a intensidade dos GCR na Terra reduz-se de 20 a 30% na região polar. Portanto, dois efeitos opostos são vistos simultaneamente: um aumento de prótons solares e um decréscimo de GCR, com possíveis e complicados efeitos atmosféricos (ALMEIDA, 2001).
3.3 MAGNETOSFERA, ATMOSFERA, HIDROSFERA E LITOSFERA
O planeta Terra pode ser divido em diversas camadas, algumas visíveis a olho nú e outras não. No estudo em tela é importante a divisão nas seguintes camadas:
• MAGNETOSFERA: composta por pelo campo geomagnético da Terra e por partículas presas a esse campo. Em geral, é vista como a primeira barreira de proteção da Terra em relação aos fenômenos materiais e energéticos que ocorrem no espaço interplanetário;
• ATMOSFERA: a grosso modo pode ser descrita como camada gasosa de densidade variável que está ligada gravitacionalmente à superfície do planeta, é composta predominantemente por Nitrogênio, sendo o Oxigênio o segundo gás mais abundante. Os vapores de água na baixa atmosfera são a terceira forma gasosa mais frequente;
• HIDROSFERA: cerca de 70% da superfície do planeta Terra é coberta pela água, sendo que os oceanos formam quase que a totalidade dessa cobertura; • LITOSFERA: camada rígida que cobre os cerca de 30% restantes da superfície
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A descrição de cada camada no sistema térmico chamado planeta Terra é feita nos itens a seguir, ressaltando as principais características que interferem neste sistema térmico.
3.3.1 MAGNETOSFERA TERRESTRE, OS CINTURÕES DE RADIAÇÃO E A PENETRAÇÃO DE PARTÍCULAS NA TERRA
Um breve esquema das diversas regiões que compõe o campo magnético da Terra, ou ainda, campo geomagnético, apresenta-se na Figura 3.16. As barreiras em série desempenham uma importante forma de proteção da Terra contra as diversas energias que a bombardeiam.
Figura 3.16-Magnetosfera e as camadas que a compõe
Fonte: KIRCHHOFF, 1991
O campo geomagnético é aproximadamente dipolar, entretanto a sua configuração ao longo da superfície terrestre não é homogênea. Sobre o sul do território brasileiro, encontra-se a região da anomalia magnética brasileira (Brazilian Magnetic Anomalie region, BMAr), região mais afastada do dipolo imaginário próximo do centro da Terra e, portanto, de menor intensidade de campo magnético (ALMEIDA, 2001).
As partículas presas ao campo geomagnético formam cinturões de radiação em torno da Terra, que são os cinturões de Van Allen. Compostos principalmente por prótons e elétrons, também contém íons de hélio, carbono, oxigênio e nitrogênio.
As energias destas partículas podem variar de 200 KeV até dezenas, centenas de MeV (como os prótons de alta energia), sendo o Sol, a Ionosfera, os raios cósmicos, o decaimento de nêutrons na atmosfera (em menor grau) e as tempestades magnéticas as principais fontes de partículas para estes cinturões.
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O transporte destas partículas através da magnetosfera dá-se por difusão (radial e/ou angular). Em geral, os prótons solares penetram na atmosfera pela região da calota polar de absorção (PCA, em inglês), sendo tais absorções associados às tempestades geomagnéticas. Estes eventos podem durar de 1 a 6 dias e podem penetrar a atmosfera até altitudes de 30 km ou menos, produzindo considerável aumento da ionização. Eventos de maior intensidade e duração podem estender seus efeitos em direção à linha do Equador.
Um importante fator que interfere na penetração dos raios cósmicos galácticos (GCR, em inglês) na atmosfera é a rigidez geomagnética de corte. Este valor varia em função da latitude geomagnética, da altitude (ou seja, da densidade atmosférica) e da direção de incidência das partículas (ALMEIDA, 2001).
Como os flares solares são mais frequentes no período de máximo de manchas solares, os eventos PCA também são mais comuns nesta fase, introduzindo, portanto, uma frequência de ocorrência de 11 anos em seu ciclo, pois os flares provocam distúrbios na Ionosfera. Já os eventos de prótons solares são mais frequentes durante os anos de mínima atividade solar, provavelmente porque as estruturas da espiral do IMF são mais favoráveis quando o Sol está menos ativo. Os efeitos diretos dos elétrons na atmosfera se concentram em altitudes de 80km ou mais. Entretanto, existe radiação (raios-X) que são emitidas durante a desaceleração ou freamento destes elétrons na atmosfera que podem alcançar a baixa atmosfera (ALMEIDA, 2001).
3.3.2 ATMOSFERA: UM SISTEMA COMPLEXO
A atmosfera é um sistema gasoso com cerca de 300 km de espessura, ligado gravitacionalmente ao planeta Terra. É dividida em camadas com características bem definidas em relação a cada um dos parâmetros básicos. Em relação à temperatura e alguns fenômenos físicos, pode-se dividi-la em diferentes camadas, conforme Figura 3.17:
42 Figura 3.17-Camadas atmosféricas – critério: temperatura
Fonte: KIRCHHOFF, 1991
TROPOSFERA: camada adjacente à hidrosfera e à litosfera, é que tem contato direto com as atividades antrópicas. Também chamada de região meteorológica, é onde se concentram os fenômenos climáticos, assim como são medidas a maior parte das suas variações. Com espessura que varia entre 9 e 20 km, dependo da latitude principalmente, possui variações mapeadas que podem estar associadas aos ciclos solares. A temperatura decresce em função da altitude, partindo de uma média de entre 15ºC-20ºC na superfície terrestre, chegando a cerca de -40ºC a -50ºC em sua borda superior. A presença dos vapores de água e cristais de gelo se concentra nessa região, e as altas temperaturas junto à superfície são resultado da absorção da energia solar direta e radiação atmosférica secundária. A remoção de calor se dá pela convecção nas camadas altas da atmosfera (KIRCHHOFF, 1991; MARSHALL & PLUMB, 2008).
TROPOPAUSA: região atmosférica entre a troposfera e a estratosfera, com altura média girando entorno dos 15 km, onde a temperatura se estabiliza em -50ºC e -40ºC. A partir desta camada, a temperatura volta a subir na estratosfera (KIRCHHOFF, 1991; MARSHALL & PLUMB, 2008).
ESTRATOSFERA: região situada acima da tropopausa, onde a temperatura volta a subir, divisa com a tropopausa na parte inferior e seu limite superior chega a 50 km de altitude. Nesta região situa-se a camada de ozônio. (KIRCHHOFF, 1991, MARSHALL & PLUMB, 2008).
ESTRATOPAUSA: região onde a temperatura se estabiliza aproximadamente a 0ºC, e o aumento de temperatura é causado pela absorção direta de UV pelo ozônio (O3) e vapor de
água (H2O) (KIRCHHOFF, 1991; MARSHALL & PLUMB, 2008).
MESOSFERA: é a camada onde não há a presença de água, inicia-se a partir de 50 km de altitude em que a temperatura volta a cair e chega, em sua camada superior, a -85ºC, cerca de 90 km de altitude. (KIRCHHOFF, 1991, MARSHALL & PLUMB, 2008).
