O CLIMA DA TERRA: Processos, Mudanças e Impactos

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Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG-USP

O CLIMA DA TERRA:

Processos, Mudanças e Impactos

Prof. OSWALDO MASSAMBANI, Ph.D. Professor Titular

massambani@usp.br Prof. TÉRCIO AMBRIZZI, Ph.D.

Professor Titular

ambrizzi@model.iag.usp.br

Departamento de Ciências Atmosféricas

Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas Universidade de São Paulo

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Aula 4

MUDANÇAS CLIMÁTICAS

• As mudanças climáticas desde o Pleistoceno

• Causas das mudanças climáticas

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Fatores que influenciam o clima da Terra

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Mudanças climáticas ao longo do tempo

Muito amplas para mais do que um highlight

Entre 4.6 bilhões a 2 milhões de anos

• Glaciações no antigo Precambriano, Ordoviciano, Permiano e Pleistocene

• Influência das placas tectônicas, da distribuição terra-mar e os fatores

externos

Últimos 2 milhôes de anos passados

• Aparecimento de grandes geleiras

• Períodos glaciais e interglaciais (incluindo o Holoceno)

• Pesquisas intensivas sobre as causas e os inícios, etc.

• Última grande glaciação 18.000 anos passados – temperatura global cerca

de 4 a 6 graus C mais fria que a atual

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Fatores Externos

• Atuam em escalas de tempo de centenas de milhares de anos a

milhões de anos.

• Os efeitos das forçantes orbitais são os mais importantes causas

das mudanças do clima da Terra.

O matemático sérvio Milutin Milankovitch propôs em 1920 que uma

variação da órbita da Terra afetaria o clima. Com sua teoria explicou

a extensão das calotas polares a partir das variações da orbita da

Terra.

Essa teoria foi confirmada em 1975 utilizando amostras do oceano

profundo.

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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.

Com a máxima excentricidade, a diferença da radiação solar recebida entre o periélio e o afélio é de cerca de 30%

A Precessão tem duas componentes:

AXIAL –torque dos

outros planetas causa um spinning do eixo.

ELÍPTICA – a órbita

eliptica da Terra gira ao redor de um foco.

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Clima no Holocene Recente

• 1850 -

Aquecimento – Revolução Industrial

• 1550 - 1800

Pequena Idade do Gelo II

• 1450 - 1550

Fase de aquecimento

• 1300 - 1450 Pequena Idade do Gelo I

• 900 - 1300 a.D Período quente Medieval – Explorações dos Vikings

• 1 a. D

• 9.000 - 6.000

Médio holoceno – período quente

(“Climatic Optimum”)

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A causa da Pequena Idade do Gelo não é conhecida

Há três possíveis teorias

• Atividade vulcânica causou um aumento na concentração de material

particulado na atmosfera, levando a um aumento da reflexão da radiação de

ondas curtas.

• A radiação solar incidente reduziu em cerca de 0.25% durante a maior

parte desse período. O chamado Mínimo de Maunder.

• Pode ter havido um decrescimo no calor transferido para as região norte

devido à mudanças nas correntes oceânicas superficiais e profundas no

Atlântico Norte.

O mais provável é uma combinação desses fatores que levaram às

condições da Pequena Idade do Gelo …

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Fatores Internos

Orogenia – os processos tectônicos de formação de montanhas e surgimentos

continentais – Afetam a circulação atmosférica

Epeirogenia – descreve mudanças na disposição global das massas

continentais.

Atividade Vulcânica - erupções vulcânicas podem injetar grandes quantidades

de poeira e material gasoso (SO2) na alta atmosfera, o qual é rápidamente

convertido em aerosol de ácido sulfúrico

Circulação oceânica – o oceano armazena uma imensa quantidade de energia

e consequentemente possui uma atuação crucial na regulação do clima global.

Variações na composição atmosférica - A mudança na composição da

atmosfera, incluindo os gases de efeito estufa e o conteúdo de aerosol, é o

principal mecanismo forçante interno.

Feedback climático – balanceamento entre as componentes acopladas do clima

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Hansen, Scientific American, March 2004

Mt. Pinatubo (1991)

El Chichon (1982)

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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 gatilhamento.

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Metano (CH4) é um gas traço ativo quimica e radiativamente que é produzido por uma variedade de processos anaeróbicos (devicientes em oxigênio) e é primariamente removido por reações com radicais hidroxilas (OH) na atmosfera.

Aumento no Metano atmosférico desde 1750

Metano

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Óxido Nitroso (N

₂

O) é um importante gas com longa vida que é

emitido predominantemente por fontes biológicas no solo e na água e

removido na alta atmosfera via reações fotoquímicas.

Essas fontes não são bem quantificadas em termos globais.

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Halocarbonos são os (CFCs), os hidroclorofluorocarbonos

(HCFCs), methylhalides, carbon tetrachloride (CCl4), carbon

tetrafluoride (CF4)), and the halons (bromide species).

Ozônio (O3) é encontrado em toda a atmosfera, com cerca de 90% na

estratosfera e o restante na troposfera. Em ambas as regiões ele é

continuamente formado e destruído via processos fotoquimicos envolvendo CO, metano, não-metano, hidrocarbonos e NOx.

Os outros gases traço NOx, CO, os compostos voláteis orgânicos (VOCs) possuem pouco impacto radiativo direto sobre a atmosfera, mas podem influenciar indiretamente a quimica e a concentração de certos gases estufa, particularmente o Ozônio.

A maior fonte desses compostos são tecnológicos (combustíveis fósseis em plantas industriais, nos transportes e na combustão da biomassa.

Halocarbonos

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Mudanças na concentração atmosférica dos principais gases estufa

Year CO2 (ppmv) CH4 (ppbv) N2O (ppbv) CFC11 (pptv) CFC12 (pptv) 1765 279 790 275 0 0 1900 296 974 292 0 0 1960 316 1272 297 18 30 1970 325 1421 299 70 121 1980 337 1569 303 158 273 1992 355 1714 311 270 504

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Concentrações atmosféricas - Pré-industrial e 1992

CO2 CH4 N2O CFC-12 Concentração Pre-industrial 280ppmv 700ppbv 275ppbv zero Concentração em 1992 355ppmv 1.715ppbv 310ppbv 503pptv Taxa de mudança da concentração durante a décade de 1980

1.5ppmv/a 13ppbv/a 0.75ppbv/a 20pptv/a Tempo de ajuste

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FORCING AGENTS

• Emissions of greenhouse gases and precursors, aerosols and precursors, and biogeochemically active gases

• Solar irradiance and insolation changes • Land-cover changes

CLIMATE RESPONSE

Temperature, precipitation, vegetation, etc. HUMAN ACTIVITIES • Fuel usage • Industrial practices • Agricultural practices NATURAL PROCESSES Sun, orbit, volcanoes

Nonradiative Forcing Direct Radiative Forcing Indirect Radiative Forcing Feedbacks Societal Impacts CHANGE IN CLIMATE SYSTEM COMPONENTS

• Atmospheric lapse rate • Atmospheric composition • Evapotranspiration flux

Estrutura conceitual da forçante climática, das

respostas e da retroalimentação

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Acompanhando o aumento das concentrações dos gases estufa na atmosfera há um aumento na forçante radiativa desses gases – Intensificação do efeito estufa, devido ao aumento da absorção da radiação IV terrestre.

Esta forçante radiativa pode ser quantificada a partir do aumento na concentração dos gases desde o início da relovução industrial.

1. A intensidade da absorção e o comprimento de onda da absorção no IV térmico são de fundamental importância em estabelecer o quanto a molécula pode ser um importante agente da forçante radiativa

2. O tempo de residência (lifetime) de um gas estufa influencia grandemente seu potencial como um agente radiativo forçante.

3. A quantidade existente de um gas estufa na atmosfera estabelece o efeito que moléculas adicionais do gas podem ter. Para halocarbonos, onde a concentração é próxima de zero é proporcional à concentração atual. Para o metano e óxido nitroso que estão presentes em concentrações que promovem significativa absorção, a forçante é proporcional à raiz

quadrada da concentração. Para o CO2 parte do espectro já é praticamente opaco, de modo que moléculas adicionais são quase ineficientes – a forçante é logarítima da concentração.

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Mudança na forçante radiativa (Wm

-2

_{) devido a}

mudanças na concentração dos gases estufa

Período de tempo

CO2 CH4 N2O CFC11 CFC12 Total†

1765-1900 0.37 0.1 0.027 0.0 0.0 0.53 1765-1960 0.79 0.24 0.045 0.004 0.008 1.17 1765-1970 0.96 0.30 0.054 0.014 0.034 1.48 1765-1980 1.20 0.36 0.068 0.035 0.076 1.91 1765-1990 1.50 0.42 0.10 0.062 0.14 2.45

†_{Forçante radiativa direta dos gases estufa ( excluidos os efeitos radiativos do ozonio)}

O aumento total da forçante radiativa direta é aproximadamente 2.5Wm-2 É interessante comparar com a

constante solar de 1368Wm-2, e a média que chega ao topo da troposfera de 270Wm-2. Este valor leva em conta as variações latitudinais e temporais da insolação.

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A relação para o ozonio atmosférico é mais complexa devido à sua marcante variação vertical em concentração e absorção.

Mudanças na concentração do ozônio podem causar forçantes estufa por influenciar tanto a radiação de curto e longo cumprimentos de onda.

A mudança resultante depende da distribuição vertical da concentração do ozônio e é particularmente sensível às variações em torno da tropopausa.

Forçante Radiativa do Ozônio

São partículas suspensas no ar com diâmetros na região de 0.001 to 10 mm. Elas são formadas pela reação dos gases na atmosfera ou pela dispersão de material da superfície. Apesar da massa total ser 1 parte em 109 da massa da atmosfera, o aerosol tem um potencial muito elevado para influenciar a transferência radiativa em curtos cumprimentos de onda.

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R

ec

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ri

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so

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-M

t

Natural

Primary

Mineral aerosol 1500 mainly coarse Sea salt 1300 coarse Volcanic dust 33 coarse Organic aerosols 50 coarse

Secondary

Sulphates from biogenic gases 90 fine Sulphates from volcanic SO2 12 fine Organic aerosols from VOCs 55 fine

Nitrates from NOx 22 mainly coarse

Total 3062

Anthropogenic

Primary

Industrial dust 100 coarse & fine Soot 10 mainly fine Biomass burning 80 fine

Secondary

Sulphates from SO2 140 fine Organic aerosols from VOCs 10 fine

Nitrates from NOx 40 mainly coarse

Total 380

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O balanço radiativo global é sensível ao albedo de núvens, e mais particularmente aos estratos marinhos de baixo nível, os quais cobem cerca de 25% da Terra. O albedo de núvens é sensível à mudanças na concentreação de gotículas de núvem que dependem dos CCN.

Forçante radiativa indireta

Estimativa da forçante radiativa média global (Wm-2_{) devido ao aumento da}

concentração de gas estufa e da concentração do aerosol.

Radiative forcing Wm-2 _{Uncertainty range Wm}-2

Direct greenhouse forcing 2.45 _±0.4 Stratospheric ozone forcing‡ _-0.15 _±0.075

Tropospheric ozone forcing‡ _0.4 _±0.25

Direct aerosol forcing -0.9 _±0.6 Indirect aerosol forcing uncertain (negative) _±0.75

Solar forcing 0.3 _±0.2

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O fenômeno El-Nino é responsável por enchentes e secas nos

trópicos e sub-trópicos

Anos com El Niño

Anos com La Niña

A frequência, a persistência e a magniturde dos eventos El-Nino

aumentaram nos últimos 20 anos

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http://www.opendemocracy.net/climate_change/index.jsp

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Data de entrega 29 de novembro de 2007

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