P
M d
I
t
Processos, Mudanças e Impactos
Prof. OSWALDO MASSAMBANI, Ph.D., Professor Titular
massambani@usp.br Prof TÉRCIO AMBRIZZI Ph D Prof. TÉRCIO AMBRIZZI, Ph.D.
Professor Titular
ambrizzi@model.iag.usp.br
Departamento de Ciências Atmosféricas
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas Universidade de São Paulo
INTRODUÇÃO
Hi tó i li áti d T História climática da Terra PROCESSOS FÍSICOS
Processos climáticos
Transferência de calor e massa na atmosfera O papel dos oceanos
MUDANÇAS CLIMÁTICAS
As mudanças climáticas desde o Pleistocenoç Causas das mudanças climáticas
Os efeitos do homem sobre o clima IMPACTOS CLIMÁTICOS
Nos ecossistemas Na saúde
INTRODUÇÃO
Uma breve história do Universo História climática da TerraHistória climática da Terra
Evolução do clima da Terra
Diferenças climáticas entre os planetas do sistema solar Efeito estufa planetário
Efeito estufa planetário
Os registros climáticos da Terra
A natureza dos registros das mudanças climáticas recentes
Processos climáticos Elementos do Sol
A radiação solar interceptada pela Terra Atributos do sistema Terra-Atmosfera
Efeitos da atmosfera e da superfície da Terra Balanço global da radiação
Médias espaço-temporal do balanço de radiação Transferência de calor e massa na atmosfera
Transferências de energia
Força de Coriolis, vorticidade e ondas de Rossby Um modelo de circulação geral da atmosfera Um modelo de circulação geral da atmosfera Padrões secundários da circulação atmosférica Modelos numéricos de circulação atmosférica global P d õ i i d i l ã t fé i
Padrões regionais de circulação atmosférica Climas urbanos
O papel dos oceanos
Processos climáticos do oceano Correntes globais
Estruturas de circulações oceânicas de menor escala As oscilações El Niño – La Niña
As mudanças climáticas desde o Pleistoceno O clima no Pleistoceno
As eras do gelo e as flutuações climáticas O clima no Holoceno
O clima no Holoceno Os registros históricos Os registros de medidas
C d d li áti
Causas das mudanças climáticas Introdução
Fatores externos Fatores geológicos
O Sistema superfície-oceano-atmosfera Os ciclos e os registros históricos
Os efeitos do homem sobre o clima Introdução
Intensificando o efeito estufa
Incertezas sobre o aquecimento global do século passado Modelos numéricos simulando a intensificação do efeito estufa A redução da camada de Ozônio estratosférico
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
IMPACTOS CLIMÁTICOS
Impactos climáticos sobre os ecossistemas Distribuição atual dos diferentes tipos de biomas Distribuição atual dos diferentes tipos de biomas Modelando os efeitos do clima sobre os ecossistemas O efeito sobre as plantas da redução da camada de Ozônio
Mudanças nos ecossistemas relacionadas ao clima – registros passados e previsões futuras Efeitos do ecossistema sobre o clima
Impactos climáticos sobre a saúde
Demografia mundial e projeções futuras Saúde e as mudanças climáticas
Extremos climáticos e a saúde
Efeitos da redução da camada de Ozônio Incertezas
Referência Bibliográfica
CLIMATE PROCESSES & CHANGE Edward Bryant
Edward Bryant
Cambridge University Press 1997
AVALIAÇÕES:
Provas sintéticas a cada duas aulas sobre o conteúdo
Provas sintéticas a cada duas aulas sobre o conteúdo
estudado
Média Final será a média aritmética do conjunto de
Capítulo 1
Capítulo 1
• Uma breve história do Universo
• História climática da Terra
Uma breve história do Universo
Uma breve história do Universo
Idade do Universo
Bi
B
Formação
Terra
Big-Bang
Formação
da Terra
Terra
Atual
15 bilhões de anos
5 b
ões de a os
4,5 bilhões
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
uma singularidade de densidade quase infinita que apenas
possuía energia escura.
possuía energia escura.
A i t
h
Bi B
!!
A isto se chama Big Bang !!
Contudo, na realidade, não houve qualquer “bang” ou
“explosão”, mas sim a criação instantânea do espaço e do
t
id d
ã i i i l d
d
tempo, seguida de uma expansão inicial de grande
magnitude.
O Universo, antes contido num átomo primitivo infinitamente
U i
i fi it
pequeno, passou a ser um Universo quase infinito ao
aumentar 10
50vezes de tamanho entre os 10
-43e os 10
-10segundos após o Big Bang antes de retomar o ritmo de
segundos após o Big Bang antes de retomar o ritmo de
vindo esta a decrescer progressivamente à medida que o Universo se expandia e que
mais energia se transformava em quarks e anti-quarks (nas mesmas quantidades)
mais energia se transformava em quarks e anti quarks (nas mesmas quantidades),
gluons, fotons, leptons (e matéria escura – matéria que só interage
gravitacionalmente) num processo denominado “reaquecimento”.
Energia negra distribuída por infinitos (quase) quanta de espaço.
Energia escura
concentrada em poucos
p
10-35 s Força nuclear Forte 1squanta de espaço
Superforça
1035 s Força nuclear Forte 1s
Força eletrofraca
Aumento MUITO
RÁPIDO da temperatura
Diminuição da temperatura (100 GeV) → energia de radiação
p
10
32K ou 10
19GeV
Gravidade
Foi neste momento que se gerou o pequeno, mas importante excesso de matéria que produziu a assimetria entre matéria e anti-matéria, que viria a evitar a total aniquilação da matéria. Foi neste período que a matéria se tornou independente da radiação e é aqui que reside o limite da experimentação física
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
independente da radiação e é aqui que reside o limite da experimentação física atual. Para além deste limite, só a física teórica é que lida com o universo.
Se um elétron pesasse o mesmo que uma moeda de um centavo, o próton pesaria aproximadamente 4 litros de leite
próton pesaria aproximadamente 4 litros de leite
O astrônomo americano Carl Sagan dizia que nós somos
i
d
l
poeira das estrelas.
Os elementos dos quais somos compostos como o carbono o
Os elementos dos quais somos compostos, como o carbono, o
nitrogênio e o oxigênio, vieram dos restos mortais de estrelas que
existiram antes da formação do nosso Sistema Solar, há
aproximadamente 4,5 bilhões de anos.
Quando estrelas morrem explosões gigantescas espalham a sua
Quando estrelas morrem, explosões gigantescas espalham a sua
matéria através do espaço interestelar.
Pois é essa matéria que, fazendo parte da Terra, é encontrada em
nossos ossos e órgãos.
É ela que compõe as estrelas e nuvens de gás que observamos pelo
Universo afora.
Tudo é feito de Quarks e Léptons !
Tudo desde galáxias até montanhas e moléculas são feitas
Tudo, desde galáxias até montanhas e moléculas, são feitas
de quarks e léptons.
Os físicos desenvolveram uma teoria chamada O Modelo Padrão, que
,
q
explica o que é o mundo e o que o mantém unido.
É uma teoria simples e compreensível que explica todas as centenas de
partículas e interações complexas com apenas:
partículas e interações complexas com apenas:
9 6 QUARKS
(protons são formados de dois quarks dois Up e um Down)
O neutron é feito de dois quarks Down e um Up)
9 6 LÉPTONS. O lépton mais conhecido é o elétron.
9 PARTÍCULAS TRANSPORTADORAS DE FORÇA, como o fóton.
Todas as partículas de matéria que nós conhecemos são compostas de quarks e léptons,
e elas interagem trocando partículas transportadoras de força.
O universo que conhecemos e amamos, existe porque as
partículas fundamentais interagem
partículas fundamentais interagem.
Essas interações incluem forças atrativas e repulsivas,
decaimento e aniquilação
Existem quatro interações fundamentais entre as partículas, e todas as
forças no mundo podem ser atribuídas a essas quatro interações!
o ças o
u do pode
se at bu das a essas quat o
te ações
Barrada
NGC
15 Bilhõ
d
NGC
6745
Levou cerca
15 Bilhões de anos
para que
o Universo produzisse as galáxias que vemos hoje,
as gigantescas nuvens do universo haviam-se
M 90
Espiral
concentrado nas “pequenas” galáxias.
M 51
Espiral
M 109
Espiral
p
M 100
Barrada
Li
-
-
C
-
O
--
--
-
-
-
- Fe -
-
-
-
-
-
-
-
--
Si
-
--
--
-
-
--
-Fe
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
-Desde a fase de,
PROTO-ESTRELA - é um periodo pós nuvem de hidrogênio e se dá
i í i d
t
ã
t é té t l tá l d to início de sua contração -
este é o processo que mantém uma estrela estável durante a maior parte da sua vida. Contudo, o Hidrogénio é limitado e eventualmente atinge-se uma fase em que a pressão da energia liberada pela estrela não consegue fazer frente à força da gravidade, de modo que a estrela sofre um colapso, fazendo com que no seu núcleo a temperatura aumente, de q p , q p , modo que já há energia para se iniciar um processo semelhante, mas fundindo núcleos de hélio, o que reduz a energia liberada e espalha-a por uma superfície maior, ficando a estrelaavermelhada. Depois dessa resposta a força de colapso com uma expansão que lhe dá um volume 100 vezes maior Pode continuar assim transformando Hélio em Carbono Oxigênio assim
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
100 vezes maior. Pode continuar assim, transformando Hélio em Carbono, Oxigênio assim
Gravidade
Pressão interna
f
comprime
empurra para fora
Equilíbrio hidrostático significa que há um
Equilíbrio hidrostático significa que há um
balanço entre gravidade e pressão em cada
camada esfericamente simétrica da estrela.
Se a gravidade é maior a casca colapsa
Se a pressão é maior a casca se expande
S
Supernovas
Nome dado aos corpos celestes surgidos após as explosões
p
g
p
p
de estrelas com massa da ordem de mais de 10 massas
solares, que produzem objetos extremamente brilhantes, os
quais declinam até se tornarem invisíveis passadas algumas
quais declinam até se tornarem invisíveis passadas algumas
H He Li Be S Ti V C M F C Ni C Z B C N O -G G A S Al Si P S -Na Mg K C F Ne B K Cl Ar Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se -- -K Ca Br Kr Y -I Xe At Rn Sb Te Bi Po In Sn Tl Pb Ag Cd Au Hg Rh Pd Ir Pt - Ru Re Os - Mb - W Zr Nb Hf Ta Rb Sr Cs Ba - - -At Rn - -Bi Po - -Tl Pb - -Au Hg - -Ir Pt - -Re Os - -W - -Hf Ta Fr Ra Cs Ba - - Pr Nd - Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu La Ce - - Pa U - - - - - - - - - - -Ac Th
pois a energia da colossal explosão fornece energia à matéria ainda existente na estrela, podendo pois a energia da colossal explosão fornece energia à matéria ainda existente na estrela, podendo continuar a fusão de núcleos atómicos. É neste fato que reside a essência da energia liberta através da fissão (ou cisão) nuclear. Na fissão nuclear é libertada dos elementos pesados e instáveis, como o Urânio, a energia armazenada quando de uma Supernova.
Depois disto há ainda alguns elementos que não foram formados, como o lítio, o boro ou o Bismuto. Estes elementos são formados depois, a partir de restos de estrelas, quando raios cósmicos incitam a cisão dos núcleos de elementos mais pesados ou mesmo no núcleo quando há neutrões livres que
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
p q q
se associam a núcleos de produtos já formados. Os elementos mais pesados, para além do urânio, não existem na natureza porque são tão instáveis rapidamente depois de sintetizados.
Diâmetro Diâmetro (Terra = 1) Sol 109 Mercúrio .38 Vênus .95 Terra 1 Marte .53 Júpiter 11.19 Saturno 9.40 Urano 4.04 Netuno 3.88 Plutão .18
As Eras Geológicas
e suas subdivisões durante a
e suas subdivisões durante a
evolução do planeta Terra
(do Grego aion ‐ era):
Fanerozóico: durou cerca de 550 milhões de anos e engloba o período de tempo
em que animais com cascos duros que se fossilizariam eram abundantes.
Proterozóico: do Latim ("primeira vida") está compreendido entre 2,5 bilhões e
542 milhões de anos e é compreende o período onde houve acúmulo de oxigênio
f
(
b íd à
l
)
na atmosfera (atribuído às algas azuis).
Arqueano: compreendido entre 3,85 bilhões de anos e 2,5 bilhões de anos
atrás, aproximadamente, marcada pela atividade vulcanica e fluxo de calor três vezes maior
que o atual.
Outras entidades reconhecem um quarto período anterior ao Arqueano:
Hadeano: Hades, deus do inferno na mitologia grega, foi inspiração para nome dado a este
período que vai da formação da Terra (4,5 bi de anos, aproximadamente) até o início do
processo de formação das rochas que marcou o início do período Arqueano.
N O j d é i F ói é h d d P é C b i ( d i ãDepartamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
Nota: O conjunto dos éons anteriores ao Fanerozóico é chamado de Pré‐Cambriano (uma denominação obsoleta)
A evolução da Terra em 1 Ano Geológico
A evolução da Terra em 1 Ano Geológico
Formação
da Terra
4,6 bilhões de anos
Hoje
da Terra
,
01/jan
1 Ano geológico
31/dez
Equivalências
j
g
g
q
Ano
= 4,6 bilhões de anos
= 4,6x10
9
Mês
= 384 milhões
= 0,384x10
9
Semana
= 85 milhões
= 0,085x10
9
Dia
= 12,6 milhões
= 12,6x10
6
Hora
= 524 mil
= 0,524x10
6
Minuto
= 8,7 mil
= 8,7x10
3
Segundo = 146 anos
= 146
Não esquecer !
1 semana
vale
100 milhões de anos
1 semana
vale
100 milhões de anos
1 semana
vale
100 milhões de anos
1 semana
vale
100 milhões de anos
1 semana
vale
100 milhões de anos
1
l
100
ilhõ
d
1 semana
vale
100 milhões de anos
1 semana
vale
100 milhões de anos
Geológico
Formação
da Terra
Seg Ter
g
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Terra
22
23
24
25
26
27
28
pastosa e
muito
quente
29
30
31
quente
Solidificação
d
t
da crosta
da Terra
G ló i
Geológico
formas de
Vida Unicelular
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Algas
G ló i
Geológico
Já existia água
líquida
líquida
na superfície
da Terra
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
29
30
31
Geológico
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Mitocôndrias
Geológico
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Geológico
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Geológico
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
I í i d
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
Início do
aumento
de oxigênio
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
de oxigênio
na atmosfera
terrestre
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Bactérias
Pluricelulares
Geológico
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Geológico
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
G ló i
Geológico
Temperatura
na superfície
da Terra = 50 C
com 1% do
Oxigênio atual
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
da Terra = 50 C
Oxigênio atual
Fossils previously found in Yunnan province (at sites discovered nearly 100
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
y years ago) and in the Burgess Shale deposits of the
Canadian Rockies tell us that all animal phyla
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
p y (more than 70) ever to exist in Earth’s history appeared “at once” about 540 million years ago. (Some 40 phyla
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
g ( p y have since
disappeared and not a single new one has appeared.) This
“burst” of life is called
29
30
31
Atmosfera
i
l à t
l
the Cambrian
Explosion, and the “at once” refers to an extremely narrow window of geologic
igual à atual
Explosão de Vida
g g time (~5-10 million years).3, 4 The latest reports from the Chinese sites narrows this window to lessDepartamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
Explosão de Vida
Geológico
Insetos
Peixes
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
Insetos
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
V t b
d
Vertebrados
e
Plantas Terrestres
Quadrúpedes
Plantas Terrestres
sem flores
Geológico
Grande
extinção
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
Seg Ter
Qua Qui Sex Sáb Dom
01
02
03
04
05
06
07
Aparecimento
dos
Di
Aves
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Dinossauros
Aves,
Mamíferos
e
Extinção dos
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
Plantas
com flores
Extinção dos
dinossauros
29
30
31
Símios
17:30 Hominídeos
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
17:30 Hominídeos
23:10 Homo Sapiens
t ~ 50.000 - 10.000 anos: Origem do Homo Sapiens t ~ 150 000 - 30 000 anos: Origem do Neanderthals t 150.000 - 30.000 anos: Origem do Neanderthals t ~ 60 milhões de anos: Extinção dos dinossauros t ~ 225 milhões de anos: Origem dos dinossauros t ~ 500 milhões de anos: Desenvolvimento dos peixes
t ~ 1,5 bilhões de anos: Aparecimento do verdadeiro núcleos - (Eukariotes)
t ,5 b ões de a os pa ec e to do e dade o úc eos ( u a otes)
t ~ 3,0 bilhões de anos: Aparecimento da fotossíntese – Oxigênio passa de 1% a 21% / volume na atmosfera
t ~ 3,8 bilhões de anos: Origem da vida na Terra - Era dos Micróbios –(prokariotes – antes do núcleo)
t ~ 4,5 bilhões de anos: Formação do sistema solar – Origem da Terra t ~ 15,0 bilhões de anos: Quasares, galaxias e estrelas se formamg
O sistema solar ocupa uma posição no disco da Via Láctea
aproximadamente no meio entre a borda e o centro.
Hoje há conhecimento suficiente sobre a estrutura de nossa galáxia para
entender a especificidade da localização do sistema solar e da Terra.
Se nosso sistema solar estivesse mais próximo ao centro da galáxia ou
mais próximo a um de seus braços espirais, encontraria muita radiação
nociva a partir da supernova e perturbações criando condições para
nuvens de cometas atingiriam o interior do sistema solar.
Se o sistema solar tivesse se formado mais distante no disco da galáxia,
não haveria suficiente elementos pesados para construir o planeta capaz
de suportar a vida
de suportar a vida.
A História Climática da Terra
A História Climática da Terra
Diâmetro Diâmetro (Terra = 1) Sol 109 Mercúrio .38 Vênus .95 Terra 1 Marte .53 Júpiter 11.19 Saturno 9.40 Urano 4.04 Netuno 3.88 Plutão .18
Distance (a=AUs) Period (P=years) Eccentricity (e) Inclination (i=degrees) Mass (Earths) Diameter (Earths) Density (Earths) Gravity (Earths) Moons Sol 0.0 ... ... ... 330,000 109.2 1.42 28 ... Mercury 0.39 0.24 0.206 7.0 0.06 0.38 0.98 0.38 0 Venus 0.72 0.62 0.007 3.4 0.81 0.95 0.95 0.90 0 E th 1 0 1 0 0 01 0 0 1 00 1 00 1 00 1 00 1 Earth 1.0 1.0 0.017 0.0 1.00 1.00 1.00 1.00 1 Mars 1.5 1.9 0.093 1.8 0.11 0.53 0.71 0.38 2 Ceres 2 8 4 6 0 078 10 6 0 00015 0 07 0 Ceres 2.8 4.6 0.078 10.6 0.00015 0.07 ... ... 0 Jupiter 5.2 1.9 0.004 1.3 317.8 11.2 0.24 2.34 39 Saturn 9 5 29 5 0 056 2 5 95 2 9 4 0 12 1 16 30 Saturn 9.5 29.5 0.056 2.5 95.2 9.4 0.12 1.16 30 Uranus 19.2 84.0 0.047 0.8 14.5 4.0 0.23 1.15 21 Neptune 30.1 164.8 0.009 1.8 17.2 3.9 0.30 1.19 8 Neptune 30.1 164.8 0.009 1.8 17.2 3.9 0.30 1.19 8 Pluto 39.4 248.5 0.248 17.1 0.002 0.18 0.37 0.04 1 Hyakutakey ~400 ~14,000 0.99998 125 ... ... ... ... 0
Com a máxima excentricidade, a diferença da radiação solar recebida entre o periélio e o
féli é d d 30%
PRECESSÃO ELÍPTICA - a órbita eliptica da Terra gira ao redor de um f
afélio é de cerca de 30% foco.
Obliqüidade
OBLIQUIDADE - torque dos outros planetas causa um spinning do eixo planetas causa um spinning do eixo.
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
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.
sido propostas para
li
i
d
explicar a origem da
Lua.
A t
i
lh
•
A teoria que melhor
explica as
propriedades
observadas da Luas
observadas da Luas
é a de que um objeto
muito grande colidiu
com a Terra e o
t i l
lh d
material expalhado
lentamente coalesceu
formando a Lua.
•
Essa teoria explica a
composição da Lua e
sua inclinação orbital
sua inclinação orbital
•
A Lua gira 1 vez
em seu eixo para
d 1 ó bit
cada 1 órbita ao
redor da Terra.
Ressonância 1:1
com a órbita da
com a órbita da
Terra.
A excentricidade da órbita de translação da Terra ao redor do Sol.
A órbita passa de quase circular a ser marcadamente elíptica em ciclos de milhões de anos (100 k 400 k ) A di tâ i d T S l d t ã d é dif t iá l (100 ka – 400 ka). A distância da Terra ao Sol em cada estação do ano é diferente e variável e assim também a insolação.
A inclinação do eixo
A inclinação do eixo
terrestre de rotação varia
com uma periodicidade de
cerca de 41.000 anos.
cerca de 41.000 anos.
Quando o valor dessa
inclinação é alto, a
ç
,
diferença de insolação
também é alta, e quando a
diferença é pequena não
haveria estações.
O valor atual é de 23.4º e
durante os últimos milhões
de anos essa inclinação
têm variado entre um
á i
d 24 5º
máximo de 24.5º e um
mínimo de 21.5º.
A precessão dos equinócios. A linha curva é o lugar geométrico da posição onde o
Sol passa no zênite no periélio – época de maior proximidade da Terra ao Sol
Sol passa no zênite no periélio época de maior proximidade da Terra ao Sol.
O mapa ao fundo serve somente de referência geográfica para situar os paralelos.
Processos tectônicos que influenciam o sistema climático, incluem movimentos de placas, mudanças na
geografia continental, na origem de montanhas, na erosão, na produção e no rebaixamento da crosta do fundo do mar e mudanças relacionadas com os ciclos bio-geo-quimicos, particularmente com o ciclo do carbono.
A origem da atmosfera da Terra
A origem da atmosfera da Terra
EVOLUÇÃO DA ATMOSFERA
A atmosfera é um envelope de
É
gases que envolvem a Terra. É
um reservatório de componentes
químicos utilizado pelos sistemas
q
p
vivos. A atmosfera não possui
fronteira, simplesmente se esvai
em direção ao espaço
em direção ao espaço.
A sua parte mais densa (97% da
massa) encontra se dentro dos 30
massa) encontra-se dentro dos 30
km da superfície da Terra (da
mesma ordem de grandeza da
expessura da crosta continental).
A pressão atmosférica possui forma similar:
14.7 psi (10
5N/m
2) na superfície, caindo exponencialmente com a altura.
Introdução
“A Terra recém formada teria sido muito diferente e inóspita comparada com a
Terra atual”
Quente: O calor primordial, colisões e compressão durante o processo de acresção
e decaimento de elementos radiativos de curta-vida.
Consequências
– Vulcanismo constante, temperatura superficial muito alta para
a água líquida ou para a vida como nós a conhecemos, superfície não rígida e
fina com crosta basáltica instável
fina com crosta basáltica instável.
Composição:
provavelmente predominando (H
2, He)
Resfriamento: Calor primordial dissipado para o espaço. Condensação da água
(chuva), acumulação da água superficial. Acumulação da nova atmosfera devido à
liberação de gases de origem vulcânica.
ç
g
g
A PRIMEIRA ATMOSFERA
Composição – Provavelmente H
2, He
Esses gases são relativamente raros na Terra comparados a
outras localidades no universo e possivelmente foram perdidos
para o espaço no inicio da história da Terra devido ao fato de
para o espaço no inicio da história da Terra, devido ao fato de
que a gravidade terrestre não ser intensa o suficiente para
reter os gases mais leves.
A Terra não tinha ainda um núcleo diferenciado
(sólido/liquido) responsável pelo campo geomagnético que
constitui hoje a Magnetosfera.
Tão logo o núcleo ficou diferenciado, os gases mais pesados
g
g
p
foram retidos.
A SEGUNDA ATMOSFERA
Produzida através da emissão de gases da atividade
vulcânica
Os gases foram produzidos provavelmente de forma similar aos
criados através da atividade vulcânica moderna.
(H
2O, CO
2, SO
2, CO, S
2, Cl
2, N
2, H
2) and NH
3(amônia) e CH
4(metano).
(
)
Não havia nessa fase O2 livre (esse gás não é encontrados
entre os gases vulcânicos)
entre os gases vulcânicos).
A formação do Oceano
– Com o esfriamento da Terra, a Água
produzida através da atividade vulcânica pode passar a existir
produzida através da atividade vulcânica, pode passar a existir
na fase líquida, permitindo a formação dos oceanos durante o
Pré-cambriano – (Antigo Arqueano entre 4 e 2.5 bilhões de
)
anos).
Vulcão Santa Helena
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
hoje é da ordem de ~21% .
Para isso é importante revisitarmos o ciclo do Oxigênio Para isso é importante revisitarmos o ciclo do Oxigênio.
A produção do Oxigênio:
Dissociação fotoquímica – quebra da molécula de água via ultravioleta – produziu
aproximadamente 1 a 2% dos níveis atuais.
Nesses níveis o O3 (Ozônio) pode ser formado para criar a camada que protege a Terra do UV.
Fotosíntese - CO2 + H2O + luz solar = compostos orgânicos + O2 produzido através de Fotosíntese CO2 + H2O + luz solar compostos orgânicos + O2 , produzido através de
cianobactérias e eventualmente plantas e assim fornecendo O2 para a atmosfera.
As cianobactérias são microorganismos que tem estrutura celular que corresponde a célula de b té i Sã f t i t ti t t d f t i t t i d uma bactéria. São fotossintetizantes, apresentando fotossistemas mas sem estar organizados em cloroplastos, como as plantas. Algumas espécies são fixadoras de Nitrogênio atmosférico (N2) e outras produtoras de toxinas.
As cianobactérias são indivíduos muito antigos e os seus fósseis são datados de períodos muito distantes no pré-cambriano. Uma grande flexibilidade a adaptações bioquímicas, fisiológicas, genéticas e reprodutivas, garantiram aos organismos a sua perpetuação na superfície terrestre e a s a distrib ição em di ersos ambientes terrestres aq áticos (de rios est ários e mares) e na a sua distribuição em diversos ambientes terrestres, aquáticos (de rios, estuários e mares) e na interface úmida da terra com o ar (rochas, cascas de árvores, paredes, telhados, vidros, etc.).
Formavam-se através da atividade metabólica de organismos protistas, especialmente bactérias e / ou algas azul-esverdeadas (cianofitas). Ao captarem os carbonatos existentes nos meios onde viviam, e
t b li á l d it
metabolizá-los, depositavam-nos em suas membranas celulares.
Estes organismos constituíam Estes organismos constituíam relvas de algas, disseminadas nos fundos dos mares
plataformais daquele momento geológico
São os fósseis mais velhos conhecidos. São evidências de vida que datam de mais de 3
bilhões de anos – (pré-Cambriano). São estruturas resultantes da deposição de CaCO3,
f
momento geológico.
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
retido e segregado por comunidades de cianobactérias fotosintetizadoras e outros
microbios presentes em água doce e salgada.
O consumo do Oxigênio:
O
fí
(
)
Oxidação dos materiais na superfície do solo (cedo)
Respiração animal (muito depois)
Queima de combustíveis fósseis (muito, muito depois)
A evolução das bactérias produtoras de oxigênio, alterou o balanço de gases, resultando na perda do metano e na elevação dos níveis de oxigênio.
Muito provavelmente, a pequena quantidade de oxigênio presente no Arqueano produzido pela cianobacteria, foi consumida pelo processo de oxidação. Com a oxidação das rochas da
superfície, mais oxigênio pode ser mantido livre na atmosfera.
Durante o Proterozoico (2.5 bilhões a 500 milhões de anos) a quantidade de oxigênio livre na atmosfera aumentou de 1 a 10 %. A maior parte liberado pelas cianobactérias, que tiveram um abundante aumento conforme evidências de fósseis com 2.3 Ga.
Os níveis presentes provavelmente foram alcançados em períodos mais recentes que ~400 Ma no período Pharenozoico.
O oxigênio atmosférico foi acumulado como um elemento descartado pelos organismos
fotosintéticos e pelos processos de encobrimento pelo solo de matéria orgânica, evitando assim o decaimento superficial. A figura a seguir ilustra esses processos.
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
Resumo dos processos produtores e usuários de Oxigênio
p
p
g
Processos
Produção (+) / Uso (-) (kg/ano)
photochemistry
+ 10
8weathering of rock
- 10
11weathering of rock
- 10
volcanism
- 10
4photosynthesis
+ 10
14photosynthesis
+ 10
respiration/decay
- 10
14burial of carbon from organisms
+ 10
11burial of carbon from organisms
10
recycling of buried sediments
- 10
11fossil fuel combustion
- 10
12Os 10 elementos mais abundantes na Crosta Terrestre
O = 49,5 %
Si = 25,7 %
Na = 2,6 %
K = 2,4%
Al = 7,5 %
Fe = 4,7 %
Ca = 3 5 %
Mg = 1,9%
H = 0,9%
Ti = 0 6%
Ca = 3,5 %
Ti = 0,6%
Como a crosta tem sofrido a ação da exposição à atmosfera por tantos anos, é natural
que o Oxigênio seja o mais abundante: todos os outros elementos formam óxidos!
Marte e Venus são os dois planetas com maior quantidade de CO2 em suas atmosferas. A atmosfera de Venus contém 96.4% de CO2 enquanto Marte contém 95.32%.q
O Efeito Estufa Planetário
•
A fina crosta da Terra desliza
sobre uma camada elástica de
O interior da Terra
sobre uma camada elástica de
rocha denominada manto.
•
Abaixo do manto há o núcleo
Abaixo do manto há o núcleo
externo líquido composto por
ferro e níquel.
•
No centro está o núcleo interno
sólido também composto por
ferro e niquel.
•
Movimentos dentro do mantto
causam um arrastro da crosta.
•
A crosta é quebrada em placas
que quando se deslocam
t
t
l õ
causam os terremotos, vulcões
e formam as cordilheiras de
montanhas.
Origem do Campo Magnético
Origem do Campo Magnético
Campos Magnéticos são produzidos pelo moviemento de cargas elétricas.
O campo magnético da Terra está associado com as correntes elétricas
produzidas pelo acoplamento dos efeitos convectivos e de rotação na região
de seu núcleo externo líquido composto por ferro e níquel
de seu núcleo externo líquido composto por ferro e níquel.
Esse mecanismo é denominado de “Efeito Dínamo”
As rochas que são formadas a partir dessa matéria “derretida” contém
indicadores do campo magnético no momento de sua solidificação.
O estudo desse “fóssil magnético” indica que o campo magnético da Terra
reverteu (o polo norte e o polo sul são intercambiados) numa escala de cerca
de milhões de anos. Esse é um dos mecanismos ainda não bem entendido.
A Magnetosfera Terrestre
O campo MHD
A Terra e a Lua vista de Marte
Perfil vertical típico da temperatura da Terra – Marte e Venus
Marte
Venus
Earth
Earth
Os Gases Constituintes da Atmosfera Terrestre Atual
A EVOLUÇÃO DA
Ç
TEMPERATURA DA TERRA
Registros climáticos no
Quaternário
Estrutura da bacia marina de Cariaco, na costa venezuelana., Excelente área para a pesquisa paleoclimática.
Instabilidade climática durante a última glaciação. Números indicam a menor refletância dos sedimentos na bacia tropical de Cariaco. No gráfico inferior é indicada as sondagens classificadas segundo os isótopos do oxigênio.
Apesar da natureza distinta dos dados, se observa um elevado grau de coincidência temporal entre as duas séries – polar e tropical.
Número de manchas solares desde o ano de 1600 (número de Wolf mensal). É identificado o mínimo de Maunder
O último ciclo solar - de número 23, teve início em Maio de 1996 e se completará e 2006.
Correlação entre a evolução do evolução do número de manchas solares e a radiação solar no topo da atmosfera (constante solar) durante os últimos durante os últimos ciclos solares – 1978 a 2002. Medidas via satélite ACRIM.
Parece ter havido um ligeiro
aumento dos
í i d
mínimos de radiação.
Evolução da temperatura global no último milênio simulado numéricamente através de
modelo que considera as forçantes radiativas provocada pelas variações da atividade solar, a concentração dos gases de efeito estufa e os aerossóis atmosféricos de procedência
l â i vulcânica.
São indicados o ótimo climático Medieval, com temperaturas semelhantes às atuais, ao período da pequena Idade do Gelo, com picos de temperatura mínima nos mínimos da
p p q , p p
Variação da atividade solar durante o pultimo milênio segundo Bauer (azul) e Lean (vermelho), a partir das variações das manchas solares e das concentrações de
Carbono14 e Berílio10. Essa evolução indica uma suposta variação da constante solar.
Examinando as mudanças climáticas tem-se podido considerar como as interações entre as placas tectônicas impactaram o sistema climático.
A litosfera – a camada externa rígida da Terra – esta quebrada em 12 maiores placas tectônicas que ao longo de milhares de milhões de anos tem migrado ao redor do planeta. Utilizando dados paleoclimáticos tem sido possível reconstruir onde as
á i l ti t t l li d dif t t d d
várias placas e continentes estavam localizado em diferentes momentos do passado. Esta figura mostra estimativas do nível do mar ao longo de mais de meio bilhão de anos da história geológica. As causas dessas variações são complexas e não estão sempre associadas diretamente com mudanças na temperatura global apesar que sempre associadas diretamente com mudanças na temperatura global, apesar que altos níveis refletem temperaturas mais quentes.
Por exemplo, 100 milhões de anos atrás a temperatura da Terra estava entre 20° -40° Celsius mais quente nas regiões polares apesar de estar somente alguns graus 40 Celsius mais quente nas regiões polares apesar de estar somente alguns graus mais quente ao redor do equador. Evidências sugerem que durante os quentes períodos do Cretaceous os niveis de dióxido de carbono foram muito altos. Modelos indicam ter havido concentrações entre 4 e 6 vezes mais que os níveis
pré-industriais. industriais.
Um abrupto evento cerca de 65 milhões de anos atrás pode ter sido causado por um impacto de um asteróide que atingiu a região de Yucatan no México, resultou na maior extinção de massa do Cretaceous-Terciário e causou um esfriamento e outros ç impactos ambientais que levaram à extinção de 70% das espécies e de 40% de todos os gêneros vivos daquele tempo, terminando a era dos dinossauros. A maior extinção de massa ocorreu por cerca de 251 milhões de anos passados no fim do Permiano, estimando-se que 85% das especies marinhas e 70% dos vertebrados
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
Variabilidade recente da
Variabilidade recente da
temperatura global na Terra
CO e a Temperatura
CO
2
e a Temperatura
Durante os últimos 400.000 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
Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP
quando os níveis dos gases de efeito estufa alcançam um ainda não conhecido ponto de gatilhamento.
