Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 1 TERRA, AMBIENTE E CLIMA INTRODUO CINCIA DO SISTEMA TERESTRE JORGE MIGUEL MIRANDA Universidade de Lisboa, Faculdade de Cincias Departamento de Engenharia Geogrfica, Geofsica e Energia Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 2 Prembulo ACinciadoSistemaTerrestreumareainterdisciplinardeimportncia crescente,equeintegraoestudodos processos fsicos,qumicose biolgicosque determinamo funcionamentoe a evoluo da Terra. O seudesenvolvimentoest intimamenterelacionadocomaimportnciaatribudapelasociedadeactual previsodamudanaclimtica,determinaodarelaoexistenteentrea actividadehumanaeessamudana,ecompreensodequeafinitudedos recursosterrestreobrigaaumavisoglobaldosfluxosedosbalanosfsicos, qumicosebiolgicosessenciaisparaavidanoplaneta,econsideraode escalasespaciaisetemporaismuitodiversascujainter-relaonoaindahoje integralmente compreendida. AsnotasqueseseguemforampreparadasparaosalunosdadisciplinaTerra, AmbienteeClimadoDepartamentodeEngenhariaGeogrfica,Geofsicae EnergiadaFaculdadedeCinciasdaUniversidadedeLisboa,nosemestrede Outono de 2010. Esta disciplina tem por objectivo fornecer uma viso introdutria dosdiferentesaspectosdosistemaTerra,procurandosemprequepossvel quantificar os principais processos envolvidos e as relaes entre eles. Aprimeiraversopreparadaem2009eraessencialmentebaseadanocortee coladematerialexistenteepossuaenormeslacunas.Estaverso,alteradae completada com mais elementos e exercicios de aplicao incorpora a experincia do primeiro ano de leccionao, as crticas e os comentrios de muitos alunos. AlgunsinvestigadoresdoInstitutoDomLuiztiveramagentilezadereverpartes deste,nassuasreasdeactividadecientfica.FoiesseocasodaDoutoraSusana Barbosa(VariaodoNveldoMar),doProfessorJooMata(Geoqumica),do Professor Pedro Miranda (Meteorologia). Muitoserrosexistiroaindanestasnotas,paraosquaispeoaclemnciados leitores,bemcomoaprontacorreco(jmiranda@fc.ul.pt).Procureiincluir referncia a todos os materiais que utilizei ou adaptei de outras fontes e, em todos oscasosemquetalnoacontea,fareitodepressaquantopossvelas correspondentes correces. Jorge Miguel Miranda, 13-Jun-10 Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 3 PREMBULO2 CAP 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS6 1.1 CLIMA E MUDANA CLIMTICA6 1.2 VARIAES CLIMTICAS NO PERODO INSTRUMENTAL9 1.2.1 VARIAO DA TEMPERATURA9 1.2.2 VARIAO DA COBERTURA EM GELO10 1.2.3 VARIAO DO NVEL DO MAR11 1.2.4 VARIAO DA CONCENTRAO DE CO2 ATMOSFRICO12 1.3 PROXIES CLIMTICOS12 1.3.1 DENDROCRONOLOGIA13 1.3.2 PALINOLOGIA14 1.3.3 PALEOTERMMETROS ISOTPICOS15 1.4 RADIOCRONOLOGIA16 1.4.1 DATAES RADIOMTRICAS16 1.4.2 MTODO DO RUBDIO-ESTRNCIO17 1.5 RECONSTITUIES19 1.5.1 OS LTIMOS 1 000 ANOS19 1.5.2 OS LTIMOS 130 000 ANOS20 1.5.3 OS LTIMOS 500 MILHES DE ANOS21 1.6 COMPONENTES DO SISTEMA TERRESTRE23 1.7 PROBLEMAS DE APLICAO24 1.8 BIBLIOGRAFIA26 CAP 2 - FORMAO E DIFERENCIAO DA TERRA28 2.1 A TERRA NO SISTEMA SOLAR28 2.2 FORMAO DA TERRA E DA LUA29 2.3 OS METEORITOS30 2.4 COMPOSIO PRIMITIVA DA TERRA31 2.5 EVOLUO E DIFERENCIAO33 2.5.1 MANTO E NCLEO33 2.5.2 CRUSTA TERRESTRE34 2.5.3 ATMOSFERA E OCEANOS35 2.6 ESCAPE DE GASES ATMOSFRICOS35 2.7 EXERCCIOS DE APLICAO38 CAP 3 - BALANO RADIATIVO40 3.1 ESTRUTURA VERTICAL DA ATMOSFERA40 3.2 CONSTITUINTES FUNDAMENTAIS DA ATMOSFERA41 3.3 EQUILBRIO RADIATIVO42 3.3.1 ESPECTRO DA RADIAO SOLAR42 3.3.2 TEMPERATURA EFECTIVA45 3.3.3 ESPECTRO DE ABSORO DA ATMOSFERA47 3.4 MODELO DE EFEITO DE ESTUFA DE UMA CAMADA51 3.5 AEROSSIS53 3.5.1 TIPOS DE AEROSSIS53 3.5.2 TEMPO DE RESIDNCIA DE UM AEROSSOL55 3.5.3 INTERACO DOS AEROSSOIS COM A RADIAO55 3.5.4 INFLUNCIA DOS AEROSSIS NO FLUXO RADIATIVO SUPERFCIE57 3.6 EXERCCIOS DE APLICAO57 3.7 BIBLIOGRAFIA59 CAP 4 CIRCULAO ATMOSFRICA E OCENICA60 4.1 CIRCULAO GERAL DA ATMOSFERA60 4.1.1 PADRO DE CIRCULAO TROPOSFRICO60 4.1.2 CORRENTE DE JACTO62 4.1.3 PADRO DE CIRCULAO ESTRATOSFRICO62 4.1.4 DINMICA DE UMA PARTCULA DE AR62 4.1.5 CIRCULAO GEOSTRFICA63 4.2 CIRCULAO OCENICA64 4.2.1 CORRENTE INDUZIDA PELO VENTO64 4.2.2 CORRENTE OCENICA GEOSTRFICA66 Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 4 4.2.3 CIRCULAO TERMOHALINA67 4.2.4 PALEO-CIRCULAO TERMOHALINA69 4.3 EXERCCIOS DE APLICAO69 4.4 BIBLIOGRAFIA71 CAP 5 HIDROSFERA E GLACIAES72 5.1 RESERVATRIOS DE GUA NA TERRA72 5.2 DINMICA DA CRIOSFERA73 5.2.1 DEPOSIO E COMPACTAO73 5.2.2 BALANO DE MASSA73 5.3 GLACIAES74 5.4 VARIAO DO NVEL DO MAR75 5.5 EXERCCIOS DE APLICAO77 5.6 BIBLIOGRAFIA77 CAP 6 BIOSFERA79 6.1 INTRODUO79 6.2 NIVEIS TRFICOS80 6.3 FOTOSNTES E COMPOSIO ATMOSFRICA81 6.3.1 FOTOSNTESE E FOTORESPIRAO81 6.3.2 MECANISMOS C3, C4 E CAM83 6.3 INFLUNCIA DA BIOSFERA NO EQUILIBRIO RADIATIVO85 6.4 EXERCCIOS DE APLICAO85 6.5 BIBLIOGRAFIA86 CAP 7 DINMICA DA GEOSFERA88 7.1 INTRODUO88 7.2 TECTNICA DE PLACAS88 7.3 ISOSTASIA E A ESTABILIDADE VERTICAL DA LITOSFERA89 7.4 VULCANISMO92 7.5 METEORIZAO93 7.6 EXERCCIOS DE APLICAO94 7.7 BIBLIOGRAFIA95 CAP 8 CICLOS BIOGEOFSICOS E BIOGEOQUMICOS96 8.1 ESCALAS DE TEMPO, RESERVATRIOS E FLUXOS96 8.1.1 TEMPO DE RENOVAO96 8.1.2 TEMPO MDIO DE RESIDNCIA97 8.1.3 TEMPO DE RESPOSTA98 8.1.4 RESERVATRIOS NO-ESTACIONRIOS99 8.2 CICLO DA GUA100 8.3 CICLO DO CARBONO101 8.4 CICLO DO AZOTO102 8.5 CICLO DO FSFORO103 8.6 CICLO DO ENXOFRE104 8.7 EXERCCIOS DE APLICAO105 8.8 BIBLIOGRAFIA106 CAP 9 FORAMENTO E RETROACO107 9.1 VARIAES FORADAS E VARIAES LIVRES107 9.2 FORAMENTO EXTERNO107 9.2.1 VARIAES GALCTICAS107 9.2.2 VARIAES ORBITAIS107 9.2.3 VARIABILIDADE DA RADIAO SOLAR109 9.2.4 CICLOS DE MILANKOVITCH111 9.3 FORAMENTO INTERNO112 9.3.1 OROGENIA E METEORIZAO112 9.3.2 VULCANISMO112 9.3.3 CIRCULAO OCENICA113 9.3.4 VARIAES DA COMPOSIO ATMOSFRICA113 9.4 PRINCIPAIS MECANISMOS DE RETROACO CLIMTICA114 9.4.1 CICLO VAPOR DE GUA-EFEITO DE ESTUFA-TEMPERATURA114 9.4.2 CICLO TEMPERATURA-CRIOSFERA-ALBEDO115 Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 5 9.4.3 CICLO PRECIPITAO-METEORIZAO-TEMPERATURA116 9.5 SENSITIVIDADE CLIMTICA117 9.6 O MUNDO DOS MALMEQUERES117 9.7 O PARADOXO DO SOL JUVENIL118 9.8 A TERRA BOLA DE NEVE119 9.9 O FUTURO DO CLIMA NA TERRA120 9.10 EXERCCIOS DE APLICAO120 9.11 BIBLIOGRAFIA121 Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 6 Cap 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 1.1 Clima e Mudana Climtica DeacordocomoglossriodoPainelIntergovernamentalparaaMudana Climtica (IPCC, Intergovernmental Panel for Climate Change) clima, num sentido restrito(geofsico),definidocomootempometeorolgicomdio,oumais precisamente,comoadescrioestatsticadequantidadesrelevantesdotempo meteorolgico num perodo de referncia. Operodohabitualmenteconsideradoparaestamdia30anos,efoidefinido pelapelaOrganizaoMundialdeMeteorologia(OMM).utilizadoparaa determinaodasnormaisclimatolgicasusadasemtodoomundopara caracterizarotempometeorolgicomdio.Nafiguraseguinteapresentam-seas normaisclimatolgicasdeLisboadeterminadascomasobservaesdaEstao Meteorolgica do Instituto Dom Luiz.

Fig. 1.1: Exemplo de normal climatolgica para Lisboa, estabelecida a partir da estao do Instituto Dom Luiz. Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 7 Aclassificaosistemticadosclimasnumsentidoessencialmentegeogrficofoi estabelecidaporWladimirKppenem1900,parapermitirumatipificaode ambientes naturais e humanos. Par isso Kpen baseou-se na variao mdia anual ediurnadosparmetrosmeteorolgicosdeterminantes(temperatura, precipitao,humidade)ouemparmetrosgeomorfolgicos(altitude, continentalidade).AclassificaodeKppenconsideraseiszonasclimticas fundamentais,definidasemtermosdetemperaturaeprecipitao,cujoslimites geogrficos foram determinados de acordo com a biosfera real, que se considera seremoresultadodosfactoresfsicosdescritos.Aszonasclimticasforam denominadas A, B, C, D, E e H: ATropical, temperaturas mensais superiores a 18C, limiar crtico de muitas plantas tropicais; B ridoesemirido,quandoaprecipitaoinferiorevaporaonumaplanta normal; CInverno frio, com todas as temperaturas mensais acima de -3C. A longa estao de crescimento favorece as florestas de folha caduca; DInvernofrio,compelomenos1msabaixode-3C.Acurtaestaode crescimento favorece as florestas de folha persistente; E Tundraegelo,comtodasasmdiasmensaisabaixodos10C,demasiadofrio para a existncia de rvores; H Terras altas e regies montanhosas onde a temperatura varia rapidamente com a altitude.EstaclassificaoclimticafoiposteriormenteampliadaporThornthwaite.As grandescategoriasdeclimacorrespondemsdesignaesgeogrficasTropical, Subtropical,Mediterrnico,Temperado,Ocenico,Continental,Alpino,Polare rido. Avariabilidademeteorolgicaumaconstantenavidadaspopulaes.Uma parte dela tem a ver com o ciclo diurno associado rotao da Terra, outra com o cicloanual,associadotranslaodaTerraemtornodoSol,eoutras componentestmavercomadinmicaatmosfrica.Contudo,aolongoda histriadahumanidade,emaisainda,aolongodahistriadaTerra,os parmetrosmeteorolgicosmdiossofrerammodificaessignificativas.Nesse sentidochamaremosvariabilidadeclimticamedidaestatsticadavariaodos parmetros meteorolgicos em torno das mdias climticas referidas. Chamamos mudanaclimticaalteraoestatisticamentesignificantedosparmetros meteorolgicos mdios. O clima actual da Terra favorvel para a vida do homem e o desenvolvimento da fauna e da flora. Contudo, ao longo da histria do planeta o clima tem variado de formasignificativaemtodasasescalastemporais.Naescalahistricaos marcadoresmaisevidentesdessasalteraessoasalteraesverificadasna agriculturaenafloresta.Naescalageolgicaamemriadosclimaspassados dada por exemplo, pelos glaciares existentes em diversas regies do globo. Arealidadeeimportnciadamudanaclimticaconhecidapelomenosdesde 1742quandoPierreMartel,gegrafoeengenheiro,propsinterpretara existncia de boulders (calhaus rolados) existentes nalguns locais dos Alpes, como Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 8 testemunho de que os glaciares teriam sido muito mais extensos no passado. ObservaessimilaresforamrealizadasnaSuiaenaEscandinvia.Em1795 JamesHutton,consideradoofundadordaGeologiamoderna,interpretoua existncia de taisboulders, como resultado da existncia de dinmica glaciar.Em 1836e1837AgassizeSchimperpropuseramaexistnciadeumasequnciade perodos particularmente frios da histria da Terra, que viriam a ser denominados idades de gelo, alternados por perodos mais quentes. Em 10 de Junho de 1859, quatro meses antes da publicao por Charles Darwin da OrigemdasEspcies,ofsicoirlandsJohnTyndallestudouumfenmenoque seviriaamostrarimportanteparaoconhecimentodosistemaclimticopondo emevidnciaoprocessoquepermitequeatemperaturasuperfciedaTerra possa ser superior quela que o planeta teria se fosse desprovido de atmosfera: a absoro da radiao infravermelha pelos gases atmosfricos. Ainda hoje este omecanismofundamentalparajustificaraexistnciadosperodosquentesque separam as diferentes idades de gelo. Svante Arrhenius (1896) baseado na ideia expressa por Fourier em 1827 de que a Terraseconservaquenteporqueaatmosferacapturaocalorenasobservaes de Tyndall foi um dos primeiros que chamou a ateno para o efeito do aumento daconcentraoatmosfricadedixidodecarbonosobreatemperaturada Terra.Opapeldosparmetrosastronmicosnasvariaesclimticasdelongoperodo foiestudadopeloastrnomosrvioMilankovitch,nosanos1930s,queprops comomecanismogeradordealteraesclimticasdegrandeperodo:as variaesdaformadarbitadaTerra,dainclinaoedaprecessodoeixoda Terra. Os perodos envolvidos so para a excentricidade da rbita, 100 000 anos; para a inclinao do eixo 41 000 anos; e para a precesso do eixo 23 000 anos.Finalmente,umoutroaspectofundamentaldoequilbrioclimticodaTerrafoi sugeridoporJamesLovelock,que chamouaatenoparaasinteraces entreo sistemaclimticoeabiosfera,quenopoderiasertratadaapenascomoum actorpassivodosistematerrestre,masqueinterferedeformasignificativano equilbrio energtico superfcie.Nasltimasdcadasaimportnciasocialdasalteraesclimticasganhou importncia,peladeterminaodealteraesdosparmetrosclimticos aparentemente maiores do que as observadas no registo histrico, e atribudas actividadehumana.Doladodacinciaintensificou-sedramaticamenteoesforo decompreensoemodelaodosistematerrestrecomoumtodo,edosistema climtico em particular, em todas as escalas temporais e espaciais.Muitodoqueestsistematizadoactualmentesobreasmudanasclimticasfoi impulsionadopeloIPCC.O"PainelIntergovernamentalparaasAlteraes Climticas"foiestabelecidopelaOrganizaoMeteorolgicaMundialepelo ProgramadasNaesparaoMeioAmbienteem1988.OIPCCnorealiza investigaocientficanemfazobservaesoumonitorizao,mascoligea informaomaisrecentefornecidapelostrabalhoscientficos,tcnicosescio-econmicos publicados em todo o mundo e produz snteses de enorme valor.Nestasnotasprocura-sesistematizaraumnvelintrodutrioosaspectos Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 9 essenciaisdoconhecimentocientficoactual,incorporandoinformao provenientedasdiferentesreasdacinciaqueinteressamdirectamenteao funcionamento do sistema terrestre. 1.2 Variaes Climticas No Perodo Instrumental Asbasesdaactualrededeobservaesmeteorolgicasforamlanadasnofinal dosc.XIX,especialmenteparafinsagrcolaseparaaseguranadanavegao martimae,mastarde,area.Noprincpiodosc.XXjhaviaumaextensarede de observaes meteorolgicas terrestres em ambos os hemisfrios. No mar, esta rededemanutenomaisdifcil,masdesdemeadosdosc.XIXqueexistem registossistemticosobtidosapartirdenavios,datemperaturadoar,da temperaturadasuperfciedomar,dapressoatmosfrica,davelocidadee direcodovento,daalturadasondasedaextensodogeloocenico.A organizaodeserviosmeteorolgicosnacionaiseautilizaode telecomunicaespermitiramautilizaomaisrpidademaisdados,levandoa ummelhorreconhecimentodepadresmeteorolgicoseidentificaoeaviso de fenmenos extremos. Apartirde1920comearamaserutilizadosaviesparamedirascondiesna baixaatmosfera.DuranteaIIGuerraMundialosaviespassaramavoaramaior altitude e descobriram a existncia de ventos muito fortes acima dos 6 - 7 km de altitude(correntesdejacto).Acompreensodequeestesfenmenosestavam ligadoscirculaoatmosfricadegrandeescala,levouaodesenvolvimentode novas tecnologias de observao da alta atmosfera e os bales-sonda passaram a fazerpartedasobservaesmeteorolgicas.Olanamentodoprimeirosatlite meteorolgico teve lugar em Abril de 1960 e abriu uma nova era nas observaes. Actualmenteaatmosferamonitorizadaporredesdeobservaonasuperfcie, por sondas que observam perfis verticais e por uma constelao se satlites. Trsparmetrosobjectivostmumaimportnciaparticularnacaracterizaoda dimenso das alteraes climticas observadas no passado recente: a variao da temperaturamdiadoarjuntosuperfcie,avariaodacoberturaemgeloea variaodonveldomar.Estasvariaesestoessencialmentecobertaspelas redes de observao meteorolgica e oceanogrfica. 1.2.1 Variao da temperatura A reconstituio da temperatura superfcie nos ltimos 150 anos pode ser feita custadassriesdetemperaturasexistentesnosdiferentesobservatrios meteorolgicos, sendo eliminados os efeitos relacionados com a expanso urbana ou outros fenmenos de carcter local. AfiguraseguintemostraavariaodatemperaturamdiasuperfciedaTerra entre1880e2010,talcomofoideterminadapeloGoddardInstituteforSpace Studies da NASA. Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 10 Fig. 1.2: Temperatura mdia anual da Terra superfcieobtida a partir de estaes meteorolgicas (a vermelho mdias corridas de 5 anos). Dados do GISS (Goddard Institute for Space Studies) da NASA (http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/Fig.A2.txt)correspondentes ao perodo instrumental. Este diagrama permite concluir que nos ltimos 100 anos se verificou o aumento de0.74 oCnatemperaturamdia(0.07oC/dcada);nosltimos50anoso aumento foi cerca de 0.13oC/dcada. Seconsiderarmosamaisantigaestaometeorolgicadopas,mantidapelo InstitutoDomLuizdesde1857,atemperaturamdiaevoluiucomomostraa figura seguinte, em concordncia com as determinaes globais. Fig. 1.3: Temperatura mdia anual na estao de Lisboa (Jardim Botnico, Instituto Dom Luiz). Dados no tratados. A vermelho representa-se a mdia corrida de 5 anos. Estavariaoestessencialmenteassenteemmediesdeestaes meteorolgicas,sendoobjectiva,massofrendoalimitaodeselimitarsreas ondeexistemtaisobservaes.Recentemente,temsidocompletadapor medies indirectas obtidas por satlites, que tm a vantagem de assegurar uma cobertura espacial homognea. 1.2.2 Variao da cobertura em gelo A variao da cobertura em gelo ao longo do ltimo sculo est bem quantificadapartir das diferentes misses polares realizadas, e de cartografia. A partir da 1978 esta estimativa est muito melhorada pela utilizao de imagens de satlites que permitemamedidarigorosadareacobertaporgelopermanente,ouseja, Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 11 excluindo a neve sazonal. Fig. 1.4: Variao da cobertura em gelo no hemisfrio norte desde 1900. Fonte: University of Illinois Sea Ice Dataset, disponvel em http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/ Verificamosqueataxadediminuiodessacoberturasofreuumaacelerao importante apartirde 1970comopode serverificadoapartirdafiguraanterior. Osdadosdesatlitemostramqueaextensototaldacamadadegelonortico diminuiuaumataxade2.7%pordcada,oquecorrespondeaumvalormuito significativo. 1.2.3 Variao do nvel do mar Onveldomarumparmetrofsicofundamentalparaaeconomialitoraleem particularporturia,dadaagrandeacumulaohumananaszonascosteiras.Em muitosportosdomundosomantidosinstrumentosdenominadosmargrafos, que observam em contnuo o ciclo da mar e medem por isso a variao temporal daelevaorelativaentreonvelmdiodomarnesselocaleumaaltitudede referncia em terra. Essa diferena, que denominada variao relativa do nvel domartemvariadosignificativamente,comoresultadodedoisprocessos combinados:omovimentoverticaldocontinente,eavariaodaaltitudeda superfcie mdia do mar. Evidnciasgeolgicasindicamquenosltimos2000anosavariaodonveldo marfoimuitopequena,comumataxamdiaentre0e0,2mm/ano.Oregisto instrumentalmostraqueavariaodonvelmdioglobaldomarfoide+1,8 mm/anoentre1961e2003(76mmem43anos),descontandoainflunciado movimentoverticaldoscontinentes.Asubidatotalduranteosc.XXestimada em0.17m(1,70,5mm/ano).Ossatlitesaltimtricos,sebemqueno directamente comparveis com os dados geolgicos, indicam uma variao global donveldomardecercade3mm/anoentre1993e2008..Estudosrecentes sugeremqueataxade variaoglobaldonveldomarestaacelerar,atcerca de 1 mm/ano, tendo a acelerao comeado ainda no final do sculo XIX. A reduo dos glaciares de montanha, da cobertura em neve e das calotes polares daAntrtidaedaGronelndia,referidasnopontoanterior,contribuiu seguramente para a subida do nvel mdio do mar. Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 12 1.2.4 Variao da Concentrao de CO2 atmosfrico Umaoutraobservaodeterminanteparaacompreensodasvariaes climticasrecentestevecomoorigemoprogramademediesdaconcentrao doCO2atmosfricoestabelecidoporKeelingnoObservatriodeMaunaLoa,no arquiplagodoHavai.Estasriedeobservaesamaislongaexistente,eest muitopoucocontaminadaporefeitoslocais:oobservatriolocaliza-sea3400m dealtura,notopodovulcodeMaunaLoa,nomeiodoOceanoPacfico.Essas medies indica, de uma forma objectiva, que a concentrao do CO2 atmosfrico temcrescidodeformapersistentenasltimasdcadas,eumavezqueo observatrioseencontralongedasprincipaisfontesemissorascdeCO2,queessa concentrao corresponde a um efeito global. Fig. 1.5:Concentrao de CO2 atmosfrico no Observatrio de Mauna Loa no Havai. As concentraes esto indicadas em partes por milho em volume. Dados retiados do site mantido por Pieter Tans, NOAA/ESRL (www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/) 1.3 Proxies climticos importanteoestudodoclimapassadoparaseterumaideiadavariabilidade climticanaturalesesaberseasmudanasrecentespodemseratribudass actividadeshumanas.Nosltimosmilniosoclimasofreufortesmudanassem que tenha havido uma interveno humana significativa. Por outro lado, sabemos queosistemaclimticoglobalextremamentecomplexoequehinteraces entretodososcomponentesdosistemaquepodemlevaraflutuaes inesperadas.Umcasobemconhecidoodoanode1816,aindahojeconhecido comooanosemvero.Em Abrilde 1815ovulcoTamboraemitiu umaenorme quantidadedeaerossisquetiveramumefeitosignificativo,sebemque temporrio, no equilbrio radiativo da Terra. Nevou na Nova Inglaterra em Junho e Agosto e Julho foi marcado por frio intenso, gerando um enorme fluxo migratrio paraoOhio.NaIndianoocorrerammones,naEuropaocidentalas temperaturas foram anormalmente baixas, com colheitas muito reduzidas e fome. Na Suia os glaciares avanaram para os vales, o que se encontra particulamente bem documentado, porque foi nesse ambiente que Mary Shelley escreveu o livro Frakenstein. Comonohregistoscominstrumentosquenospossamdaraconhecera Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 13 variabilidadeclimticaqueocorreuhmaisdeumsculo,temosderecorrera registos dados por indicadores climticos, denominados variveis proxy (variveis quetmrelaocomparmetrosambientaiseporissopodemserimportantes em termos do registo da variabilidade climtica) ou documentos escritos, no caso de variaes dentro do perodo histrico. Asfontesdeinformaomaisimportantesparaoconhecimentodosproxies climticosso(i)osdocumentoshistricos;(ii)adendrocronologia;(iii)os sedimentosterrestres;(iv)ossedimentosmarinhose(v)ostarolosdegelo recuperadosnasregiespolares.Cadaumadestasfontesdeinformaopossui umaresoluotemporalcaractersticaeumalcancetemporalparticular.Esses valores encontam-se representados na figura seguinte: Fig. 1.6: Fontes de Informao para o Clima no perodo pr.instrumental. As resoluo respectivas encontram-se representadas com um circulo. As abcissas esto graduadas em ano. Adaptado de Roderik van de Wal Lecture Notes Climate Dynamics, disponvel em http://www.phys.uu.nl/~wal/climdynUCU/ Autilizaodedocumentoshistricosparaoestudodasvariaesclimticas obvia,contribuindocomobservaesqualitativas,variabilidadedaactividade agrcola,extensodasreascomgelopermanenteousazonal,etc...A dendrocronologia particularmente relevante dada a sua resoluo temporal (cf. figura anterior). No caso dos sedimentos analisaremos de forma muito sinttica a utilizao de uma tcnica denominada palinologia. No que diz respeito aos tarolos degelo(sebemquesejaigualmenteimportantenoestudodeamostras sedimentaresemtodasasescalastemporais),discutimosdeseguidaamais importantetcnicaquepermiteadeterminaodatemperaturaparaambientes terrestres passados: o estudo dos istopos do Oxignio e do Hidrognio. 1.3.1 Dendrocronologia AdendrocronologiafoifundadanoprincpiodosculoXXpeloastrnomo americano Andrew Ellicott Douglass. As rvores crescem cerca de 10cm por ano, e oseucrescimentoconseguidoatravsdaadioaotroncopr-existentede novo material vegetal, cujo crescimento depende das condies ambientais. Cada camadadecrescimentoformadaporumconjuntodeclulasvegetaisnasua Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 14 maioriafibrasorganizadasem anelvoltadamedulaaxial.Cadaanel formado porduascamadas:umacamadamaisclaraquecorrespondeaocrescimentona Primavera(madeiratempor)eumacamadamaisescuracorrespondenteao crescimento no fim do Vero (madeira tardia). Osanissomaislargosnosanosfriosehmidosquenosquentesesecos, dependendodofactorlimitanteparaocrescimentodasplantas.Secasou invernos muito rigorosos podem ocasionar anis muito estreitos. A contagem dos anis no tronco de uma rvore permite determinarcom algum rigor a sua idade, bemcomooseuestadodesanidade.Osfactoreslimitantesdocrescimentodos anispodemestarrelacionadoscomfactoresfsicos(luz,temperatura,gua),a composiodo solo, ou factores que tm a ver com a dinmica dos ecosistemas. No caso em que os factores dominantes so variveis climticas, podemos utilizar a dendrocronologia para estudar o clima passado. As amostras so obtidas com um pequeno trado que retira um cilindro com cerca de4mmdedimetro,sendooorifcioseladoparaprotecodarvore.A identificao dos anis realizada por correlao entre as vrias amostras e entre elas e amostras de referncia, para a qual se conhece a cronologia com rigor.

Fig. 1.7: Exemplo de seco do tronco de Pseudotsuga Menziesii. A medula; B madeira tempor; C madeira tardia. A fotografia da seco do tronco foi adaptada http://web.utk.edu/~grissino/gallery.htm#Trees. 1.3.2 Palinologia Adistribuioespacial dasplantasdepende essencialmentedatemperaturae da precipitao. Sendo assim, se conhecermos essa distribuio e a sua variao com o tempo podemos inferir as mudanas climticas passadas.Uma das formas mais eficientes de determinar a distribuio espacial do coberto vegetal o estudo do plen produzido por algumas plantas e que habitualmente difundidopelovento,masquepodemosrecuperarnossedimentosrecentesde ambientes lacustres ou marinhos. Atcnicabaseia-senaamostragemsistemticadetarolossedimentares, habitualmentecomcercade5cmdedimetroenaeliminaoqumicapor dissoluoemhidrxidodepotssio,cidohidroclordricooucidofluordrico, dos componentes minerais e biolgicos menos resistentes que os plens, que so Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 15 muitoestveisquimicamente.Umavezquecadaplantapossuiplens caractersticos,osbotnicossocapazesdediscriminarasespciesquelhes deramorigem.Adeterminaodaidadealcanadacommtodosdedatao radiognica, que analisamos mais abaixo. 1.3.3 Paleotermmetros Isotpicos Umdospaleotermmetrosquemaiscontribuiuparaoestabelecimentode medidas quantitativas do clima passado foi descoberto por Harold Urey em 1946, quandodescobriuquequantomaisfriaaguamaioraconcentraoem 18Odas conchascorrespondentes.Estaobservaofoiestendidaaostarolosdegelo recolhidosnascalotespolaresounosglaciaresdemontanha.Comoesteretm bolhas de ar da altura em que se formou a calote, podemos utilizar a composio isotpicadessear,emoxignioehidrognio,paraavaliarquantitativamenteas condies climticas dessa altura.H trs istopos estveis de oxignio, isto , que no decaem radioactivamente. O maiscomum, 16O(com8neutres)correspondeacercade99.8%dooxignio existente.Osoutros, 17O(com9neutres)e 18O(com10neutres)sobastante maisraros(0.038%e0.205%).Aguaocenicamdiastandard(emingls: StandardMeanOceanWater)formadaporH216O,H218O eHD16O,ondearazo Deutrio/Hidrogniotemovalor155.76x10-6,earazo 18O/16O temovalor 2005.2x10-6.Definem-seduasrazesisotpicasfundamentais,referenciadas como o18O e oD 18 161818 16/1000*( 1)/SMOW SMOWO OOO O(1.1) 16 16218 162/1000*( 1)/SMOW SMOWDOH ODDO H O(1.2) AmediodestasrazesisotpicasnostarolosdegelodaAntrtidaeda Gronelndia,ouemconchas,conduziuidentificaodevariaesespaciaise temporais.Estasvariaestraduzemosprocessosdefraccionaoaolongodo cicloatmosfricoevaporao,transporteecondensaoedependemdeduas caractersticasfsicasdostrsistopos:adifusividademoleculareapressode vapor. Chama-se factor de fraccionao o razo entre as razoes isotpicas da gua e do vapor: 18161816( )( )OvaporOOaguaO(1.3) A influncia dominante no valor de o18O provm da diferena entre a temperatura dooceanoeatemperaturadolocalondesedeuacondensao.Comoa temperaturadooceanoapreciavelmenteconstante,ovalordeo18O exprime essencialmente a temperatura do local de condensao. o18O sempre negativo e relaciona-se com a temperatura por uma expresso da forma: 18O aT b (1.4) Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 16 os parmetros a e b so calculados a partir da procura de uma relao linear entre o contedo istpico presente da neve e a temperatura local, que pode ser obtido apartirdasmediesquesetmfeitodesde1961narededaAgncia Internacional de Energia Atmica e da Organizao Meteorolgica Mundial com o objectivodeestudarociclohidrolgicoglobal,desdequeseadmitaquea variabilidadeespacialpresenteigualaavariabilidadetemporalpassada.O parmetro a tem o valor 0.67 /oC, e o parmetro b tem o valor -13.7 para os lenis de gelo da Gronelndia no presente (Johnsen et al., 1989). Existe evidncia experimental que sugere que o parmetro a temporal mais baixo que o espacial, em particularnastransiesentre osperodosglaciareseinterglaciares(Jouzel e tal.,1997),sendonecessrioutilizarprocessosdecalibraoumpoucomais complexos que o descrito. 1.4 Radiocronologia 1.4.1 Dataes Radiomtricas H quanto tempo se formou a Terra? A primeira determinao da Idade da Terra, realizadaporLordKelvin, procurouutilizaroprocessofsico doarrefecimentodo planeta para estimar a sua idade absoluta. A partir da aplicao das 1 e 2 Leis da TermodinmicaKelvinconcluiuqueaidadedaTerrasedeveriasituarentre20e 400milhesdeanos.Estaavaliao,quehojesabemosserfrancamente incorrecta,porquenoconsiderouacontribuiodaradioactividade(descoberta maistarde)paraoequilbriotrmicodaTerra,spdesercorrigidaporqueno princpiodosculoXX,RutherfordeHolmesconcluramqueodecaimentodos istoposradioactivosinstveis,descobertoporHenriBecquerelem1896,podia ser utilizado para quantificar a idade das formaes geolgicas.Snadcadade50dosculoXXqueaprecisodosmtodoslaboratoriais permitiugeneralizarousodasdataesradiomtricas.Oprincpiofsicoemque assenta estas medies o seguinte : A lei de decaimento radioactivo indica que o nmerodetomosquesedesintegraporunidadedetempoproporcionalao nmero de tomos presentes no estado inicial, ou sejadNNdt(1.5) ondeaconstantededecaimento,quepodeserinterpretadacomoa probabilidadedequeumdeterminadotomodecaiaporintervalodetempo. Integrando a equao anterior podemos escrever: 0tN N e (1.6) ondeN0representaonmerodetomosradioactivosnoinstanteinicialeNo nmerodetomosradioactivosnotempopresente.Onmerodetomos radiognicos(geradospeloprocessodedecaimentoqueestamosaestudar) designa-se por NR, sabendo-se que, 0 RN N N (1.7) Pelo que podemos reescrever (2.2) em funo de NR como: Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 17 0(1 )tRN N e (1.8) Diversasformasdestasexpressessoutilizadasemgeocronologia.tambm vulgar a utilizao do parmetro tempo de semi-vida que o perodo de tempo necessrioparaqueumadadaquantidadedeumradionucldeodecaiapara metade do seu valor inicial. A relao entre T1/2 e dada por: 1/20.693T =(1.9) 1.4.2 Mtodo do Rubdio-EstrncioUmdosmtodosdedataodedescriosimplesbaseia-senodecaimento radioactivo do Rubdio. O Rubdio um elemento raro na natureza, que no forma qualquer mineral, mas queapareceasubstituiroPotssio,dadasassimilaridadesentreambosnoque dizrespeitoaoraioinicoecarga.OsdoisistoposnaturaisdoRubdiosoo 85Rb e o 87Rb, cujas abundncias atmicas so de 72.8% e 27.2%, respectivamente. O 87Rb um istopo radioactivo que decai da forma seguinte: 87 87Rb Sr (1.10) Nestecaso,aformaodetomosradiognicosde 87Srpodeserexplicitadada forma seguinte: 87 87087 87087 87(1 )( 1)Sr Rb tRb Rb tSr Rb tN N eN N eN N e(1.11) Umavezqueosespectrmetrosdemassamedemcommaiorprecisorazes entre dois elementos do que valores absolutos e uma vez que o istopo 86Sr no radioactivo nem radiognico - a sua quantidade pode ser considerada constante - prefervel escrever (2.7) sob a forma : 87 8786 86( 1)tSr RbeSr Sr (1.12) Umproblemaexiste,noentanto,noquedizrespeitofracode 87Srformado antesdagnesedaamostra,quetemquesersubtradodosdoismembrosde (2.8) : 87 87 8786 86 860( 1)tSr Sr RbeSr Sr Sr(1.13) Arazoisotpicainicialvariacomahistriageolgicadaunidadeemestudo.As rochas provenientes do manto superior, por exemplo, possuem razes isotpicas iniciaismuitobaixasumavezqueomantosuperiorpossuirazesRb/Srmuito baixas.Noextremoopostotemosacrustacontinentalcaracterizadaporrazes Rb/Sr elevadas. Aexpressoanteriormostraquearazo 87Sr/86Srdependelinearmentedarazo 87Rb/86Srparaumconjuntodeamostrasdamesmaidade.Numarepresentao linear simples do tipo: Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 18 Fig. 1.8:Iscrona Rb/Sr para um conjunto de amostra de igual idade radiomtrica. Na altura da formao a razo 87Sr/86Sr suposta ser idntica (rochas cogenticas)mas as razes 87Rb/86Sr podero ser diferentes. O declive da iscrona permite a determinao de t. desdequesedisponhadeumconjuntodeamostrascomrazespai/filho diferentes.Contudo,existemaindaduascondiesparaqueamediodaidade radiomtrica seja significativa: a primeira a de que os processos de alterao ou demetamorfismonotenhamafectadoasrazesisotpicasdomecanismode decaimentoutilizadonadatao;asegundaadequetodasasamostras utilizadas possuam a mesma razo isotpica inicial. Estaltimacondiodemaisfcilrealizaonasrochasgneasdoquenas rochas metamrficas ou sedimentares, uma vez que muitas vezes se verifica que, numdeterminadomacio,aquelascristalizamapartirdeummagmanico.No que diz respeito s rochas metamrficas esta condio pode tambm verificar-se desdequeometamorfismotenhasidosuficientementeintensopara homogeneizarasrazesisotpicas.Nasrochassedimentares,ofactodeosseus elementospoderem provirde fontesdistintastornaimpossvel adataodirecta da idade da sedimentao. Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 19 PaiFilhoVida mdia 14C 14N1.21 x 10-45730 a 87Rb 87Sr1.42 x 10-114.88 Ga 40K 40Ca4.962 x 10-101.40 Ga 40K 40Ar5.81 x 10-9110 Ma 138La 138Ce6.54 x 10-12106 Ga 147Sm 143Nd6.42 x 10-12108 Ga 176Lu 176Hf1.96 x 10-1135.3 Ga 187Re 187Os1.52 x 10-1145.6 Ga 230Th 226Ra9.217 x 10-675.2 ka 232Th 208Pb4.9475 x 10-1114 Ga 234U 230Th2.794 x 10-6248 ka 235U 207Pb9.8485 x 10-10704 Ma 238U 206Pb1.55125 x 10-104.468 Ga Figura 1.9:Constantes de decaimento e vidas mdias de um conjunto de pares de elementos utilizveis em datao radiomtrica O mtodoRb/Sr utilizadoparaquasetodasasidadesgeolgicas,sebem quea preciso das dataes reduzida no que diz respeito aos ltimos 10 a 20 Ma. 1.5 Reconstituies 1.5.1 Os ltimos 1 000 anos Umnmerosignificativodeestudostemprocuradoestabeleceravariaoda temperaturamdiadasuperfciedaTerranosltimos1000anos.Esteperodo particularmenteimportanteporqueexisteumconjuntomuitoimportantede documentao(textos,gravuras,observaesclimticas,anlisesagronmicase econmicas,etc...)quepermitemescrutinarosproxiesutilizadosparaa determinao da temperatura mdia superfcie. Doisperodossoparticularmenteimportantesporqueevocamvariaes significativas dos parmetros climticos: o perodo medieval quente e a pequena idade do gelo. OPerodoMedievalquenteocorreuentre950e1250.Atemperaturamais elevada, tanto da atmosfera como do oceano impulsionou a expanso dos Vikings para norte, e a colonizao da Gronelndia. A Pequena Idade do Gelo comeou aparentemente no incio do sculo XVI, sendo os anos mais frios 1650, 1770 e 1850. Este arrefecimento causou movimentaes populacionais:VikingsabandonaramaGronelndia,cujavegetaodiminuiude porte, passandoatundra,aFinlndiaperdeu um terodapopulaoe aIslndia metade,tendoficadocompletamentegeladadurantemesesconsecutivos.Na Inglaterra, o Tamisa gelou, pela primeira vez em 1607 e pela ltima em 1814. No Inverno de 1780, a zona fluvial de Nova Iorque gelou e podia-se ir a p da ilha de ManhattandeStatenIsland,tendosidobloqueadasasligaescomerciaispor via martima (fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/ Pequena_Idade_do_Gelo). ApartirdasegundametadedosculoXIXatemperaturamdiacomeoua Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 20 aumentar, de forma contnua at aos dias de hoje.

Fig. 1.10: Dez reconstituies da anomalia da temperatura publicadas na literatura cientfica. A negro indica-se o registo instrumental. Os valores esto suavizados com uma janela corrida gaussiana de 5 anos. Estes valores correspondem a trabalhos do CRU/Hadley Center e foram obtidos de: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:1000_Year_Temperature_Comparison.png. AsreconstituiesapresentadaspeloIPCCbaseadasnumacombinaode medidasedeproxies,reproduzembemumaanomalianegativadatemperatura duranteaPequenaIdadedoGelomasnomostramumaanomaliapositiva significativaparaoPerodoMedievalQuente,cujatemperaturaseaproximada verificada na ultima dcada do sculo XX.Estareconstituio,apresentadanafigura1.6estnabasedaconclusodo relatrio do IPCC segundo a qual "the rate and magnitude of global or hemispheric surface 20th century warming is likely to have been the largest of the millennium, with the 1990s and 1998 likely to have been the warmest decade and year". 1.5.2 Os ltimos 130 000 anos Apartirdoestudodosproxiesdescritospodeassimestabelecer-seaseguinte descrio simplificada: entre 130 000 at 125 000 anos houve um perodo de mais quente perodo interglaciar. De 120 000 at cerca de 21 000 anos desenrolou-se um longo perodo de temperaturas baixas mas com algumas subidas e descidas de 1 ou 2C - Grande Idade dos Gelos mais recente. H 21 000 anos a camada de gelo quecobriaamaiorpartedaAmricadoNorte,todaaEscandinviae,no Hemisfrio Sul, a maior parte da Argentina, Chile e Nova Zelndia,e ter tido um volumedecercade90milhesdekm3.Hojeemdia,essevolumeapenas30 milhes de km3, o que implica que o nvel mdio do mar estaria abaixo (90 a 120 m) do nvel actual. A temperatura mdia do ar superfcie durante a ltima Idade do Gelo era cerca de 4 a 5C mais baixa do que actualmente (nas camadas de gelo do Hemisfrio Norte era cerca de 12 a 14C mais baixa; nos trpicos 3C). Desde h 18 000 ou 19 000 anos at h cerca de 15 000 anos teve lugar mais um perodomaisquenteperodointerglaciar(emqueestamospresentemente) Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 21 interrompidoporumepisdiodearrefecimentosbitooDryasrecente que se iniciou cerca de 12 900 anos e durou cerca de 700 anos; esta designao prende-se com o facto da chegada de uma planta rtica, denominada Dryas, neste perodo. Ento, h cerca de 15 000 anos atrs, um aquecimento rpido comeou. Entre 15 000 e 10 000 apresentou uma variao brusca, mas tem mantido alguma estabilidade desde h 10 000 anos.UmavezqueesteperododahistriadoclimadaTerrafoiessencialmente analisado pelos ncleos de gelo das regies polares, retomaremos este tpico no captulo 5. 1.5.3 Os ltimos 500 milhes de anos Afimdehierarquizartemporalmenteosdiferentesacontecimentosque marcaramahistriadaTerrafoidesenvolvidapelasgeocinciasumaescalade tempo geolgica na qual se distinguem quatro eras divididas por sua vez em 2 a 6 perodos.Estecalendriogeolgicopodeserapresentadosimplificadamentena forma seguinte: Fig. 1.11: Calendrio Geolgico Simplificado. OclimapassadodaTerratemsidoreconstitudocomautilizaodeproxies, desdehpelomenos1.2Ga.DuranteoNeoproterozico(1000-540Ma)esto identificadosvriosperodosglaciaresemparticularaglaciaoSturtiana(750-700Ma)eaMarinoana-Vendiana(625-580Ma).Estesperodosglaciares ocorreram em latitudestropicais( 50 anos (iv)xidonitroso,N2O:produzidopormecanismosbiolgicosnossoloseno oceano,porcombustoindustrial,queimadebiomassaebiofuel,eusode fertilizantes(comnitratos).Amaiorpartedoxidonitrosolibertadoparaa atmosfera vem da desflorestao e converso da floresta, savana, etc. em campos agrcolas. Destrudo por reaces fotoqumicas na estratosfera. Tempo de residncia: 55 -116 anos. (v)Ozono,O3:produzidopordissociaodemolculasdeoxigniopelaradiao ultravioleta. Destrudo por reaces envolvendo xidos nitrosos e cloro (provindo dosCFCs,deerupesvulcnicasequeimadevegetao)naestratosfera.Est concentrado entre 15 e 35 km. Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 51 Fig. 3.8: Mecanismo de criao de ozono estratosfrico Mudanasnadistribuioverticaldeozono:decrscimodaconcentraona estratosfera(oqueprejudicialparaohomem)eaumentonabaixaatmosfera onde um poluente (devido a actividades antropognicas). (vi)Vapordegua,H2O:Asuaconcentraonaatmosferavariatantonoespao comonotempo.Asconcentraesmaiselevadasencontram-seprximodo Equadorsobreosoceanosenasflorestastropicais.Nasregiespolaresenas regiessubtropicais(20-35oNou oS)desrticasovolumedevapordeguana atmosfera pode ser quase nulo. O vapor de gua, para alm de ter uma funo de redistribuiodaenergianaTerra(atravsdastrocasdecalorlatente)ededar origemprecipitaoquandocondensa,constituioprincipalgscomefeitode estufa. 3.4 Modelo de Efeito de Estufa de Uma Camada SendoatemperaturamdiasuperfciedaGeosfera288K,eatemperatura efectiva (temperatura equivalente a que a sistema terrestre emite para o exterior) de apenas 255 K, podemos quantificar a influncia da atmosfera considerando um modelomuitosimplesdeequilbrioradiativoentreaGeosfera,aAtmosferaeo Sol da forma seguinte: Fig. 3.9:Modelo de Equilibrio Radiativo para Clculo da Temperatura Superfcie (Ts) Consideramos que a temperatura efectiva corresponde temperatura do topo da atmosfera(narealidadecorresponderaumaaltitude decercade 5km,apartir daqualaatmosferaessencialmentetransparenteradiaoinfravermelha). ConsideramosqueaatmosferaemiteradiaoparaforadaTerraepara Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 52 dentroemsimultneoequeasuperfciedaTerrarecebedoiscontributos:o fluxosolardirectoeofluxoatmosfrico,sendoestesegundocontributooque corresponde ao efeito de estufa. A designao efeito de estufa em si confusa uma vez que o efeito das estufas dominantementeabarreiraqueasuacobertura,devidroouplstico,faz circulaoatmosfrica.Poder-se-iamaiscorrectamentechamaraesteefeito efeito atmosfrico (Wallace e Hobbs, 1977).Vamosadmitirqueaatmosferacompletamentetransparenteradiaode pequenocomprimentodeondaecompletamenteopacaradiao infravermelha. Como o sistema global deve estar em equilbrio, o balano de fluxo solar mdio recebido por unidade de rea, levando em linha de conta a reflexo, deve igualar o fluxo de radiao emitida pela atmosfera (AAE): 4014aaS T (3.9) pelo que a atmosfera se encontra temperatura efectiva (verifique !). superfcie da geoesfera, a radiao incidente de pequeno comprimento de onda tambm o fluxo solar mdio recebido por unidade de rea, a que acresce a radiao recebida da atmosfera (AAG). A soma das duas componentes deve igual o fluxo de radiao emitido pela superfcie da geosfera temperatura Ts: 4 4014e SaS T T (3.10) Como o primeiro termo da expresso anterior iguala oTe4 podemos concluir que: 42 1.19S e eT T T (3.11) Para o caso da Terra, este modelo determina uma temperatura mdia superfcie de 303 K, superior ao valor observado de 288 K. Os factores que conduzem a esta sobre-estimaosoessencialmente:(i)afracodaenergiaincidentequeno atingeasuperfcie,devidoemparticularsnuvense(ii)aabsoroderadiao pela atmosfera na banda do infravermelho no total. Podemosaindaconsiderarumavarianteaomodeloapresentado,ondea atmosferanoconsideradacomototalmenteopacaradiaoinfravermelha emitidapelasuperfciedageosferamasabsorveapenasumafracocdessa radiao. Fig. 3.10: Modelo de Equilibrio Radiativo para Clculo da Temperatura Superfcie (Ts) Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 53 No topo da atmosfera o balano do fluxo pode ser escrito como: 01(1 )4AE GAaS A A (3.12) O balano do fluxo superfcie tem a forma: 014AG GAaS A A (3.13) Uma vez que em equilbrio AAG = AAE, teremos: 4 401 22(2 ) 2GA S eaA T S T (3.14) donde podemos concluir: 422S eT T (3.15) No limite c = 0, a atmosfera transparente e Ts = Te. No limite c = 1, a atmosfera perfeitamente opaca, e recuperamos a expresso (3.10). As situaes intermdia, como o caso da situao presente da atmosfera, correspondem a emissividades entre 0 e 1. 3.5 Aerossis 3.5.1 Tipos de aerossis Umaerossolumasuspensoestveldeumslidoouumlquidoemar.Os processosqueconduzemproduodeaerossissohabitualmentedivididos emprimrios(exemplo:erosodageosfera)esecundrios(exemplo:osqueso criadospornucleaoouaccreodemolculasgasosasequeconduzem criaodepartculas,comocomumemprocessosantropognicos).Podem ainda ser considerados diversos sub-grupos em funo da natureza e do tamanho daspartculasqueocompemedoprocessodeformaodoaerossol.Os subgrupos mas importantes incluem os fumos, as poeiras, as nvoas e os sprays. As emanaes so formados por particulas slidas com dimenses entre 0.001 e 1 micron,suspensasnumgs.Otipomaisvulgarconstituiosfumos,produzidos pelacombustoincompletadecarvo,leos,gsnaturalououtroscombustveis e com dimenses inferiores a 10 micrometros. Aspoeirassoconstitudasporpartculasslidassuspensasemar.Adimenso daspartculasvariaentre1e100micrometros.Aspoeirassoformadaspela libertao de materiais tal como solo, areia, fertilizantes, carvo, cimento, pollens na atmosfera. As poeira so ais instveis e depositam-se mais rapidamente que as emanaes. Asnvoas sopartculaslquidas,commenosde 10micrometros,dispersasnum gs. O tipo mais comum formado por gotculas de gua suspensas no ar que, no caso de afectar a visibilidade, se denominam nevoeiro. Ossprayssoformadosporpartculaslquidasrelativamentegrandes,com dimenso superior a 10 micrometros. Podem ser formados naturalmente tal como acontece nas praias, devido interaco entre a atmosfera e o oceano, ou serem Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 54 o produto da actividade humana. Cercadetrsquartosdosaerossisterrestrestmorigemnatural:salmarinho, particulasdesoloederocha,emissesvulcnicas,fumodefogosflorestais,ou formadoscomoprodutodereacesqumicasnaatmosfera.Osoutrossoo produto da actividade humana: os sprays correntes, os xidos de azoto ou enxofre produzidospelacombustodecombustveisfsseisquepodemgerarnitratos lquidos ou slidos ou sulfatos que so incorporados nos aerossis atmosfricos. OsprimeirosestudosdosaerossisatmosfricosforamrealizadosporAitkenem 1888. Notou que eles so importantes no ciclo hidrolgico e no sistema climtico. Apresentamosnatabelaseguinteadistribuiodosmaisimportantesaerossis terrestres. Emisses(Tg/ano) Aerossol MarinhoTotal5900 0-2m82,1 2-20m2460 Poeira do Solo50)do parmetro o. 3.5.4 Influncia dos Aerossis no Fluxo Radiativo Superfcie Cercade33%daenergiasolarincidenterefletida(reflexototalereflexo difusa) de volta para o espao (cf. figura 3.7), aqui se incluindo a componente que retrodifundida.Comexcepodareflexopelosoloosrestantesprocessos envolvemopapeldosaerossis:ostoposdasnuvenssoosmaisimportantes refletoresdaradiao,sendooseualbedofunodaespessura,variandode menosde40%paranvenspoucoespessas(menosde50m)at80%para (nuvens com espessuras superiores a 5000m). Uma vez que a interaco da radiao com os aerossis contribui para diminuir a radiaoqueatingeoglobo,oseuefeitoessencialmenteodediminuira temperatura superfcie. O seu efeito directo estimado em cerca de -0,5 W/m, e o efeito indirecto, por alterao das propriedades das nuvens,de -0,7 W/m. O efeitototalpodesercontabilizadocomoodereduzirem1,2W/mofluxo radiativo que atinge a superfcie. 3.6 Exerccios De Aplicao1.Diga o que entende por albedo. Quais os maiores contribuintes para o albedo da Terra? Albedo afraco da energiasolar incidente que reflectida paraoexterior de um determinado objecto fsico.NaduperfciedaTerraoalbedoparticularmenteelevadonassuperfciesrecobertasporgeloe neve. Globalmente o maior contribuinte para o albedo formado pelas nuvens. 2.Identifiqueostrsmecanismosprincipaisdetransfernciadeenergiae indiquequalomaisimportanteparaobalanoenergticosuperfcieda Terra. 3.(a) Indique o que entende por temperatura efectiva de um planeta e distinga-adatemperaturasuperfcie.(b)Apartirdestadistinoescalareaarazo pela qual as temperaturas superfice dos planetas Vnus, Terra e Marte so to diferentes. 4.A sonda espacial Mars Odyssey atingiu o planeta Marte em 24 de Outubro de 2001,quandomediuosfluxosradiativosdemodoaserpossvelconhecero clima da superfcie do planeta. Sabendo que o fluxo de radiao solar mdio Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 58 de 175 W/m2,a) DetermineaTemperaturanotopodaatmosferadeMarte,considerando um albedo de 0.17. b) Apartirdovaloranteriordetermine ocomprimentode ondaparaoqual Marteemitemaiorfluxodeenergia.Aquepartedoespectrosolar corresponde essa radiao? 5.CalculequalapotnciasolarincidentesobreaTerra(raio=6371km),e divida-o nas duas componentes absorvida e re-emitida (a = 0.3). 6.Compareodiagramadafigura3.7comomodelosimplificadodeatmosfera de uma camada e indique as semelhanas e diferenas. 7.Jpiter o maior planeta do sistema solar e a sua distncia ao Sol 5.2 vezes superiordistnciadaTerraaoSol.Apartirdestevaloreassumindoquea constantesolarnaTerratemovalor1370W/m2determineaconstantesolar de Jpiter. 8.Porque que o N2 no um gs de efeito de estufa? 9.A distncia entre a Terra e o Sol varia ao longo do ano, com um mnimo a 4 de Janeiro (perhlio) e um mximo a 5 de Julho (aflio). Sabendo que a variao de+/ 1.75%equeovalormdiodaconstantesolar1370W/m2, determine o fluxo solar naquelas duas datas. 10.IndiquedeformasumriaomecanismodedifusodeRayleighejustifiquea partir dele o motivo pelo qual vemos o cu azulado. 11.Determine como variaria a temperatura efectiva da Terra se,a)Oalbedofossereduzidopara0.10etodososoutrosparmetros permanecessem fixos; b)Aabsorvidadeduplicassemantendo-seoalbedocomovalorpresentede 0.30 [utilize o modelo de uma camada com c < 1]. 12.Considere o modelo de efeito de estufa de duas camadas no qual a atmosfera representadaporduascamadasperfeitamenteabsorventes,de temperaturas TA e TB. Determine estas temperaturas, bem como a temperatura de superfcie TS, em funo da temperatura efectiva. Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 59 13.Considere o caso de uma atmosfera de 1 camada com emissividade c, inferior a1.Considereaindaqueaabsorvidadedaatmosfera(fracodofluxode energiaqueabsorve)igualaaemissividade(leideKirchoff).Determinea expressoqueteratemperaturadaatmosferaeverifiquequesempre inferior temperatura de superfcie. 14. Oqueentendeporgasesdeefeitodeestufaantropognicos?Identifiqueos mais abundantes. Gasesdeefeitodeestufasoosquedeformasignificativaabsorvemenergiaradiantenabandado infravermelhocontribuindoparaqueatemperaturasuperfciesejasuperiortemperaturaefectivada Terra. Os gases antropognicos mais abundantes so o dixido de carbono, o metane (CH4), o xido nitroso(N2O), e os clorofluorcarbonetos (CFCs). 15.Um dos processos importantes que tem lugar na camada limite atmosfrica otransporte,departculasoriginriasdosprocessosdesuperfcieou originadanosprocessosqumicosinternosatmosfera,edenominados colectivamenteporaerossis.(a)Esclareaopapeldestaspartculasno equilbrio radiativo; (b) Descreva as principais categorias de aerossois e a sua importnciarelativa;(c)Digaoqueentendeportempoderesidnciadeum aerossol. 16.Considere os dimetros mdios tpicos das seguintes partculas atmosfricas: Molculas de ar10-10 10-11 m Ncleos de Condensao (incluindo fumos)10-7 10-8 m Poeiras10-7 m Gotculas das Nvens10-5 m Gotas de Precipitao10-3 m Gotas de Aguaceiros e Granizo10-3 10-1 m Para cada um dos casos determine o valor do parmetro o para a radiao na bandadovisveleidentifiqueoprocessodominantedeinteracocoma radiao. 3.7 Bibliografia Ahrens,C.Donald,MeteorologyToday.AnIntroductiontoWeather,Climateandthe Environment, 2007 (8 edio), Thomson Brooks/Cole, 537 pp + Anexos Bigg G., The Oceans and Climate, pp 1-266, Cambridge University Press, 1996. Graedel T. E. e P J Crutzen, Atmospheric Change, An Earth System Perspective, W H Freeman and Company, New York, pp 1-446, 1993. Raes,F.,Bates,T.,McGovern,F.M.andLiedekerke,M.V.2000.ThesecondAerosol CharacterizationExperiment(ACE-2):Generaloverviewandmainresults.Tellus52B,111126. Richard M. Goody e J. C. G. Walker, Atmosferas Planetrias, editora: Edgard Blucher, pp 1-139, 1996. Wallace JM e Hobbs PV, Atmospheric Science: An Introductory Survey. Academic Press, 1977. Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 60 Cap 4 CIRCULAO ATMOSFRICA E OCENICA 4.1 Circulao Geral da Atmosfera 4.1.1 Padro de circulao troposfrico QuandoanalismosoequilbrioradiativodaTerranoentrmosemlinhade conta com a variao da energia recebida pela Terra com a latitude. Esta variao muitosensveldevidodiferenadeinclinaodosraiossolaresentreo Equadoreosplos:porexemplo,a30oNou30oS,aradiaosolarrecebidapor unidadedereacorrespondeacercade86%daradiaorecebidanoEquador numasituaodeequincio.Aesteefeitopuramentegeomtricosoma-seainda ofactodeopercursodaradiaoatravsdaatmosferaaumentar significativamente quando aumenta o ngulo de incidncia dos raios solares. OmaioraquecimentodaatmosferanaszonasprximasdoEquadorlevaao desenvolvimentodemecanismosdetransportedeenergiaentreestaseas regiespolarestantopelaatmosferacomopelooceano.Acombinaodo aquecimento radiativo diferencial com o movimento de rotao da Terra gera um padro de circulao atmosfrica cujos principais elementos esto representados na figura seguinte: Fig. 4.1 Padro geral da circulao atmosfrica. Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 61 Oforteaquecimentonazonaequatorialproduzumafaixadebaixaspresses superfcieenquantoqueofortearrefecimentonosplosproduzumaregiode altas presses superfcie. Naregioequatorialoarquenteeosgradienteshorizontaisdepressoso fracoseosventossofracos,formandoadenominadazonadecalmaria equatorial(doldrums).Oarquentesobeefrequentementecondensasoba formadenuvenscomgrandedesenvolvimentovertical(nvensconvectivas, cmulos). Ao condensar, a gua liberta calor latente o que vai alimentar a clula de Hadley. DoEquadoratlatitudede30o,acirculaocorrespondeaumaclulade Hadley.Arquentesobeatatingiratropopausa(queactuacomoumabarreira), apsoquesedirigeparaosplosemaltitude.AforadeCoriolisdeflecteeste movimento(paraadireita/esquerdanohemisfrioNorte/Sul)dandoorigema ventosdeWemaltitude,emambososhemisfrios(soestesventosquevo atingirmximosegerarascorrentesdejactosub-tropicais).Oar,noseu movimentoparaoplo,vaiarrefecendo(perdeenergiaporradiao infravermelha) e vai convergindo medida que se aproxima das latitudes mdias. Esta convergncia do ar em altitude aumenta a massa de ar acima da superfcie e portanto aumenta a presso atmosfrica superfcie: nas latitudes em torno dos 30,formam-sefaixasdealtapressoaltas(ouanticiclones)subtropicais.Oar convergenteemaltitude,relativamenteseco,vaidescereaquecer(por compresso), produzindo temperaturas superficiais elevadas e cu limpo. nestas latitudesqueseencontramosmaioresdesertosdomundo(comooSahara).No oceano, os gradientes fracos de presso no centro dos anticiclones apenas geram ventos fracos ou calmarias (horse latitudes). A partir dos 30 o de latitude, parte do ar superfcie vai-se dirigir para o Equador, sendoestemovimentodeflectidopelaforadeCoriolis:ventosdeNEno HemisfrioNorteedeSEnoHemisfrioSulventosalsios(tradewinds). PrximodoEquador,osventosalsiosdeNEedeSEconvergemnumafaixa denominadazonaintertropicaldeconvergncia.Masnemtodooarsuperfcie se dirige para o Equador a partir dos 30o: h uma parte do ar que se vai deslocar paraoplo,sendodeflectidoparaEstepelaforadeCoriolis:ventosdeOeste (westerlies).Estear,relativamentequente,vaiencontrararfrioquevemdo plo originando-se a Superfcie Frontal Polar (cuja interseco com a superfcie do Globo afrentepolar) que separaestasduasmassasde are quecorrespondea uma zona de baixas presses (~ 60o de latitude), onde o ar superfcie converge e sobe(formaodenuvens).Algumdoarquesubiuvolta,emaltitude,paraas latitudesmaisbaixasondevaidescerparaasuperfcienavizinhanadasaltas subtropicais (30 o). Estaclulaintermdiaindirecta(arquentedesceearfriosobe),e denominadaporvezescomocluladeFerrel.Elaficacompletaquandooar superfcie se dirige para o plo. Para latitudes superiores s da frente polar, o ar frio superfcie, vindo dos plos, deflectidopela fora de Coriolis, dando origem a ventos de NE. A clula que se forma a clula polar. Quandosecomparaestemodelode3clulascomacirculaoatmosfricareal, Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 62 halgumasdiscrepnciasquetmavercomofactodehavercontinentese oceanos:hregiesondeexistemsistemasdepressoaolongodetodooano sistemassemi-permanentes.NoHemisfrioSulhrelativamentemenorrea continentaldoquenoHemisfrioNorteeporissohmenoscontrastesentre continente e oceano, sendo a distribuio de presses superfcie mais contnua em torno do Globo. 4.1.2 Corrente de jacto Ascorrentesdejactoatmosfricassocorrentescomgrandevelocidade, podendoexcedermuitasvezesos100nse,ocasionalmente,200ns(1n=1 milha nutica/hora = 1,852 km/h), que se estendem ao longo de milhares de km, tendoalgumascentenasdekmdelarguraeapenasalgunskmdeespessura. Encontram-se, em geral,na tropopausae dirigem-se de Oeste para Este. Huma correntedejactosubtropical(acercade13kmacimadasaltassubtropicais)e uma corrente de jacto polar (a cerca de 10 km acima da frente polar). Fig. 4.2:Representao esquemtica das correntes de jacto no hemisfrio norte. 4.1.3 Padro de circulao Estratosfrico Opadrodecirculaoestratosfricomaisregularqueotroposfrico.A diferenciaoradiativageranoessencialumpadromeridionalondeexiste ascensosignificativanaaltitudede25kmnasaltitudesmdiaseelevadaseno hemisfriodevero,edescidaequivalentenohemisfriodeinverno.Na estratosferainferioromovimentoessencialmentesub-horizontal,ajustando-se naturalmente ao padro de circulao troposfrico. 4.1.4 Dinmica de uma partcula de ar Omovimentodeumapartculadearpodeseranalisadoaplicandoosprincpios deFsicaacadaumadaspartculadear.Aaplicaodasegundaleidadinmica obrigaidentificaodoconjuntodeforasaplicadas,podendonumaprimeira aproximao serem consideradas as seguintes: P cf cor amg F F F F ma (4.1) Emqueoprimeirotermocorrespondeaopeso,osegundoaogradienteda Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 63 presso,oterceiroforacentrfuga,oquartoforadeCorioliseoquinto fora de atrito.AsforascentrfugaedeCoriolissoforasdeinrcia,quesointroduzidasna equaoanteriorparadaremcontadofactodeoreferencialsernoinercial.A foracentrfugatraduzoefeitodomovimentoderotaodaTerra, perpendicular ao eixo de rotao, dirigida de dentro para fora. A sua expresso dada por: 2coscf TF m R(4.2) Onde a velocidade angular da Terra (7.293 x 10-5 rad s-1), RT o raio mdio da terra(6371x103m).AforadeCoriolisssefazsentirsobreumapartculaem movimentoemrelaoTerra:umavezqueoobjectosedeslocaauma velocidadediferentedavelocidadedaTerra,aforacentrfuganosegueja expresso (4.2) mas temos que considerar um termo adicional para expressar este afastamento. Esse termo tem a forma: (2 sin )corF m v (4.3) Emquevomdulodavelocidade.Nohemisfrionortetalcorrespondeaum desvioparaadireitadomovimento.Nohemisfriosulestaexpressoainda vlida(otermoemsenonegativo),implicandonestecasoumdesvioparaa esquerda do movimento. Aforagradientedepressoresultadavariaohorizontaldapresso atmosfrica, tem uma direco tambm perpendicular s isbaras, no sentido das altasparaasbaixaspresses.Seconsiderarmosumasituaodeequilbrio hidrosttico: p g z (4.4) Numa situao genrica a presso pode variar lateralmente pelo que necessrio considerar no apenas a sua variao vertical mas tambm a variao horizontal. Contudo, na atmosfera existe sempre uma grande assimetria entre a componente horizontal e a componente vertical do movimento. Por exemplo, nos sistemas de grandedimensoespacial(depresseseanticiclones)avelocidadeverticalde apenas1%davelocidadehorizontal.porissoquepodemosconsiderarqueno quedizrespeitovelocidadeverticaldoarexisteequilbrioentreacomponente vertical do gradiente de presso e a gravidade. 4.1.5 Circulao Geostrfica Umadassoluesmaissimplesdaequao(4.1)correspondeaconsiderarque apenasacomponentehorizontaldogradientedapressoedaforadeCoriolis soimportantese secompensam.Neste casoaacelerao nulae avelocidade daspartculasdearserconstante.Chama-seaestasituaoequilbrio geostrfico e ao vento que produz, vento geostrfico. Umarepresentaogrficaqueilustraestasituaoestrepresentadanafigura seguinte: Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 64 Fig. 4.3:Representao esquemtica do vento geostrfico: a fora gradiente de presso normal s isbaras, enquanto que a acelerao de Coriolis perpendicular ao vector velocidade, para a direita no hemisfrio norte; o equilbrio atingido quando o vento circula paralelamente s isbaras. Apartcula,inicialmenteemrepousonaisbarados5280mb,desloca-sesob aco da fora do gradiente de presso. medida que a sua velocidade aumenta aforadeCoriolisaumentaatseatingiroequilbrio.Apartirdestepontoa partculadesloca-seemvelocidadeconstanteaolongodaisbara,deixandoas presses mais elevadas sua esquerda. Podemosobterumaexpressosimplesparaavelocidadedoventogeostrfico, combinando (4.1), (4.3) e (4.4): 1(2 sin )dpvdn(4.5) Em que n a direco normal s isbaras. Na atmosfera real os ventos nunca so puramentegeostrficos.Contudo,estaaproximaoapesardemuitosimplesd indicaesimportantessobreocomportamentodovento,umavezconhecidaa distribuio da presso atmosfrica. Asexpressesanteriorespartemdoprincpiodequeosefeitosdoatritoso negligenciveis.Estasituaonoclaramenteverdadeiranacamadamais superficialdaatmosfera,ondeavelocidadedoventotipicamenteinferiorao queocorrenasaltitudessuperiores.Designa-seestaregiocamadalimite planetriaquepodemosentendercomoapartedatroposferadirectamente influenciadapelapresencedasuperfcie,equerespondeaoseuforamentoem escalas temporais iguais ou menores a 1 hora. Muitos dos processos atmosfricos determinantes para o clima so determinados pelainteraoentreaAtmosferaeasuperfcieeafectamessencialmentea camadalimite.Osmecanismosfsicosenvolvidosincluemomovimento turbulento,otransportedeenergiaradiativa,astransiesdefasedaguaea evapotranspirao. 4.2 Circulao Ocenica 4.2.1 Corrente induzida pelo vento Oventoafontedeenergiaprimriaparaacorrentenacamadasuperficialdo oceano(atcercade100-200mdeprofundidade).Aenergiatransferidado vento para a superfcie do mar pe em movimento a camada superior do oceano, Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 65 gerandoondasecorrentes.Comventoestvel,avelocidadedacorrentegerada pelo vento superfcie geralmente da ordem de 1 a 3% da velocidade do vento (p. ex., um vento de 10 m s-1 gera uma corrente de deriva com 0,3 m s-1).WalfridEkmanrealizouumconjuntodeobservaesdedicadasaoestudodo processofsicopeloqualoventodeterminaacirculaoocenica.Verificouque em geral a corrente superfcie faz um ngulo de cerca de 45 para a direita, no hemisfrionorte,emrelaodirecoparaondesopraovento.Concluiainda que a transferncia da energia cintica do vento para o oceano, realizada de tal formaqueavelocidadedacorrentevaidiminuindoprogressivamentecoma profundidade.EstadeflecogeradapelarotaodaTerra,edescritafisicamentepeloefeito deCoriolis(nohemisfrioNorte,essadeflecoparaadireitadomovimento). Esquematicamente,podemosilustraracorrentegeradapeloventonumaregio ocenica profunda, no Hemisfrio Norte, do seguinte modo: Fig. 4.4:Relao geomtrica entre a direco do vento e a direco da corrente ocenica por ele gerada. Se a gua for suficientemente profunda, a corrente superfcie faz um ngulo de 45paraadireitadoventoe,medidaqueseavanaparamaiores profundidades,acorrentevaisendoprogressivamentemenosintensaemais desviada para a direita. A uma dada profundidade (cerca de 100 ou 200 m), deixa de haver corrente geradapelo vento, correspondendo ao equilbrio entre a fora deCorioliseoatrito.Acamadaatondechegaesteefeitodoventochama-se camada de Ekman. Se integrarmos a corrente gerada pelo vento na totalidade da camada de Ekman, obtemos um transporte de gua que se dirige a 90o para a direita (no Hemisfrio Norte) da direco do vento: transporte de Ekman.No caso em que o vento sopre ao largo de uma zona costeira e paralelo linha de costa,seotransportedeEkmanquelheestassociadofordirigidoparaolargo, cria uma divergncia junto costa. A camada superficial arrastada para o largo e aguadacamadasubsuperficialascendesuperfcie.Como,emgeral,a Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 66 temperaturanooceanodecrescecomaprofundidade,essaguasubsuperficial, maisfria,sertrazidaparaasuperfciejuntocosta.Esteofenmenodo afloramento costeiro (em ingls: coastal upwelling). No caso da costa Portuguesa, o vento dominante durante os meses de Vero de Norte (a nortada). Ento, este vento vai transportar a camada superficial para o largo,oquefazascenderguamaisfria(asguasaolargodacostaocidental PortuguesasofriasduranteoVero)emaisricaemnutrientes(alimentodo fitoplancton,oqualconstituiabasedacadeiatrfica)eportantocomalta produtividade. 4.2.2 Corrente Ocenica Geostrfica Numabaciaocenicaconfinadaacorrentesuperficialinduzidapeloventotma forma de um giro: Fig. 4.5:Principais estruturas da corrente ocenica superfcie. Note que as grandes bacias ocenicas so caracterizadas por correntes que circulam no sentido dos ponteiros do relgio no hemisfrio norte e no sentido contrrio aos ponteiros do relgio no hemisfrio sul. NestecasootransportedeEkmanestdirigidoparaocentrodogiro,formando umasobrelevaoqueatingecercade1macimadonvelmdiodomarno centrodogiro.Estetipodevariaesdasuperfcielivredooceano habitualmentedesignadaportopografiadinmicaepodesermedida directamente com satlites altimtricos. Qualquerparticulardeguasolicitadapelaforagradientedepresso,quea leva a deslocar-se horizontalmente do centro para a periferia do giro. Sendo a sua velocidade diferente de zero, a partcula ir estar sujeita a um efeito inercialque designamosporforadeCoriolis,dirigidaparaadireitadomovimentono hemisfrionorteeproporcionalvelocidade.Obalanoentreacomponente horizontal da fora gradiente de presso e a fora de Coriolis d origem corrente ocenica geostrfica: Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 67 Fig. 4.6:Diagrama explicativo da corrente geostrfica. Verifique a similaridade com a circulao geostrfica atmosfrica. Acorrenteocenicasuperficialinfluenciaosprimeiros400mdooceano,ecerca de 10% da massa de gua. 4.2.3 Circulao termohalina Se bem que as correntes ocenicas superfcie sejam fundamentalmente geradas pelocampodovento,essainfluncianosefazsentirabaixodacamadade Ekman, onde o efeito dominante originado pelos contrastes de densidade. A densidade da gua do mar superfcie de cerca de 1027 kg/m3. Contudo, esta grandezafunodasuatemperaturaedasuasalinidade,comopodemos observar pelo diagrama da figura 4.7: Fig. 4.7.Massa volmica da gua em funo da temperatura e da salinidade. Valores em kg/m3. Acirculaoocenicaquecondicionadaporgradientesdedensidade, designadaporcirculaotermohalina.Ascorrentesemprofundidade(abaixodo nvelatondechegaaacodovento)sodominadaspelacirculao termohalina. Asmaisdensasmassasdeguadooceanosoformadasporarrefecimentode Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 68 guassuperficiaisapenasemdoislocaisalatitudeselevadas.Aguamaisdensa de todasforma-senomarde Weddell(nocontinente Antrtico)-guaAntrtica de Fundo. Esta massa de gua afunda prximo do continente Antrtico e desloca-separanortejuntoaofundo,constituindoacamadadeguamaisfundanas3 baciasocenicas(doAtlntico,doPacficoedondico).Aoutramassadegua muitodensaformadaapartirdeguavindadortico:aguaProfundado Atlntico Norte, que se desloca para sul em nveisprofundos mas acimada gua Antrtica de Fundo. Deummodogeral,podemosconsideraracirculaotermohalinanosoceanos comoumacorreiadetransmisso(conveyorbelt):aguaarrefecidanas regies perto dos polos, transportada em profundidade para os outros oceanos evaisendomisturadacomoutrasguas,levadanovamentesuperfcielonge dos locais onde afundou, e vai aquecendo at ser levada de volta para as regies deafundamento,repetindo-sedepoisociclo.Estacirculaolevaaotransporte decalordeumaparaaoutrapartedoplanetaetransfernciadesubstncias qumicasdissolvidasentreascamadassuperficiaiseprofundas.Opercursoda guaocenicaaolongodestacorreiadetransmissotemumaduraoprxima dos 1000 anos. Omecanismofsicoquemantmacirculaotermo-halinacomplexoeno inteiramentecomparvelcomacirculaogeraldaatmosferaquedescrevemos na seco 4.1.Uma diferena fundamental entre a circulao oceanic termo-halina e a circulao geraldaatmosfrica(porvezesdesignadaporcirculaodeHadley)aposio relativadafontedecalor:podemosconsiderarqueaatmosferaaquecida inferiormente(verifiqueafigura3.12),naregioequatorial,comportando-se comoumamquinatrmicacomaeficinciade0.8%enquantoqueooceano aquecidonapartesuperior,peloqueaflutuabilidadedaguamenosdensano contribui por si s para manter a circulao. Osdoismecanismosfsicosfundamentaisquetmsidoinvocadosso(1)a formaodaguamaisfriaemaisdensanaslatitudeselevadasqueempurraa guaprofundaparaaslatitudesbaixase(2)amisturadaguaprofundacoma guasuperficialmaisquente,eventualmenteimpulsionadapelatopografiado fundo do oceano, que puxa a circulao termohalina.Note ainda que sendo a circulao determinada pelos contrastes de densidade, o efeitodatemperaturaeoefeitodasalinidadegeramcirculaescontrrias, porqueooceanonasaltaslatitudesmaisfriomastemmenordensidade,pelo queascomponentestrmicaehalinacompetemcriandoumapluralidadede estados de equilbrio possveis. Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 69 Fig. 4.8:Corrente termohalina: a correia de transmisso. Adaptado de http://www.globalwarmingart.com/wiki/File:Thermohaline_circulation_png. Salinidade em partes por mil. 4.2.4 Paleo-circulao termohalina Ageometriadescritaparaacirculaotermo-halinafoiestabelecidaquandose deuofechodocanaldoPanamentre13Mae1.9Ma.Admite-sequehcerca de4.6MaaaproximaoentreaAmricadoNorteeaAmricadoSulera suficienteparaqueacorrentedoGolfo(cffigura4.7)transportasseguamais quenteparaaslatitudeselevadasimpulsionandoaformaodeguaprodunda noAtlnticoNortee,peloaumentodaevaporao,eportanto,dahumidade atmosfricaintensificandoodesenvolvimentodoslenisdegelodohemisfrio norte. Existeevidnciageolgicadequeacirculaotermo-halinapossuinopassado geometriasdiferentes,sendoatransioentreelasacompanhadademudanas rpidasdoclimaglobal.Paraalmdasmodificaesdegrandeperodo relacionadascomageometriadasmassascontinentais,ummecanismotemsido invocadoparaodesencadeardealteraessignificativasdacirculaotermo-halina:adiminuiorpidadasalinidadedaguasuperficialdoAtlnticonorte, comoresultadodaintensificaodaformaodeicebergs,proveninetesem particulardonortedoCanad.Acontecimentosperidicosdestetipo(eventos Heinrich) tm sido identificados no registo geolgico. Qualquermodificaodacirculaotermo-halinapodecausarmodificaesno clima(evice-versa).Semotransportedecalorassociadoaestacirculao (comparvelpotnciageradaporummilhodecentraisnucleares),a temperatura mdia na Europa desceria cerca de 5 a 10C, e parte do lado oriental daAmricadoNorteseriamenosfria.Osregistosdesedimentosocenicos mostramqueestacirculaofoiinterrompidaalgumasvezesduranteasltimas dezenas de milhares de anos e que essas interrupes coincidiram com mudanas climticas abruptas. 4.3 Exerccios de Aplicao1.Oqueventogeostrfico?Emqueregiesdaatmosferaesperaqueeste Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 70 modelo tenha melhor aplicao ? Justifique. 2.Considereumasituaoemqueasisbarasnoapresentamcurvaturaeque apenas a componente horizontal do gradiente da presso e da fora de Coriolis soimportanteseseconpensam.a)comodesignamosoventogeradonesta configurao?b)mostreporquerazonestecasooventocircula paralelamente s isbaras. 3.Considereumasituaoemqueoventogeostrficosopraparalelamentes isbaras que esto separadas 50km/mb; considere ainda que nos encontramos emPortugal,latitudede40N,ealtitudede5600m,ondeadensidadedo ar de 0.700 kg/m3. Qual o valor da intensidade do vento? Soluo: 30.6 m/s. 4.Faa um esquema da circulao geostrfica nas seguintes situaes: (a) centro de baixa presso atmosfrica no hemisfrio norte; (b) centro de altas presses no equador; (c) centro de baixa na costa leste do Brasil. 5.Nafiguraapresenta-seumextractodeumaimagemdosatliteTOPEX POSEIDONobtidaa9/2/94.Digaqualovalorquenestediatinhaa sobrelevaodinmicanoAtlnticoNorte.Indiqueomecanismofsicoque gera esta sobrelevao. 6.SeaTerrainvertesseosentidodasuarotaocomovariariamosgiros ocenicos? 7.AcorrentedoGolfoafasta-separaestedaAmricadoNortelatitude aproximadade35oN,deslocando-secomumavelocidademdiade1m/se percorrendo uma distncia de cerca de 1000km, tornando-se ento a corrente do Atlntico norte, o segmento setentrional do giro subtropical. A corrente do Atlnticonortemove-semaislentamente,comumavelocidademediade cerca de 5 cm/s. Considerando que esta percorre cerca de 4000km at atingir Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 71 Portugalaumalatitudeprximade35oN,determineotempoqueuma mensagem numa garrafa demoraria a atravessar o Atlntico nesta latitude. Soluo: 2.57 anos 8.Porque que a circulao termohalina tem efeito no transporte de calor para os plos? 9.DeacordocomodocumentoAnIntroductiontoSimpleClimateModelsused intheIPCCSecondAssessmentReport:Theoceansplayanumberof important roles in the climate system and in climatic change. First, they are a major storehouse of carbon, and have played an important role in absorbing a portionoftheanthropogenicCO2emitteduptothepresent.Thisrolewill continuetosomeextentinthefuture.Second,oceancurrentstransport substantialamountsofheat,therebyexertingastronginfluenceonregional climates.Discutaosdiferentesaspectosdescritosnoquedizrespeitoao papel dos oceanos no sistema climtico. 10.Tenteexplicararazopelaqualooceanonaslatitudeselevadastem salinidade mais baixa e nas baixas latitudes salinidade mais baixa. Soluo:Aguasuperficialnaslatitudessubtropiciastemsalinidademaiselevadacomo resultado da precipitao baixa e da elevada evaporao, enquanto que nas latitudes mdias e elevadasseverificamaiorprecipitaoemenosevaporao.Odegelonaslatitudeselevadas contribui ainda para dominuir essa densidade. 4.4 Bibliografia Graedel T. E. e P J Crutzen, Atmospheric Change, An Earth System Perspective, W H Freeman and Company, New York, pp 1-446, 1993. Jacobson, MC, Charlson, RJ, Rodhe, H, Orians, GH (2008). Earth System Science, International Geophysical Series, Vol 72, Elsevier. PickardG.L.eW.J.Emery,1982,DescriptivePhysicalOceanography,(4edio),Pergamon Press, 256 pp. Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 72 Cap 5 HIDROSFERA E GLACIAES 5.1 Reservatrios de gua na Terra AguaexistenaTerranostrsestadosfsicos:slido,lquidoegasoso.Existe como gelo nas calotes polares e nos glaciares, sob a forma gasosa na atmosfera, e sobaformalquidanosoceanos,rios,elagosounacirculaosubterrnea.O fluxodeguaentreaatmosferaeasuperfciedoplanetapodeassumiraforma lquida (chuva) ou slida (neve ou granizo). Ooceanoocupacercade70%dasuperfciedaTerraeconstituiomaior reservatriodeguadoplaneta.Contudo,aguaencontra-searmazenadano planeta num conjunto de reservatrios: ReservatrioVolume (m3)% Oceanos1.34 x 101896.535% Calotes Polares, Glaciares, Icebergs2.41 x 10161.739% Aquferos e Permafrost2.37 x 10161.710% Lagos e Rios1.90 x 10140.014% Atmosfera1.29 x 10130.001% Humidade do Solo1.65 x 10130.001% Biomassa1.12 x 10120.000% Total1.39 x 1018100.000% Fig. 5.1:Distribuio da gua na Terra Paraahumanidade,adisponibilidadeemguadoceconstituiumfactormuito importante.Osdadosdatabelaanteriormostramaimportnciadascalotes polares, icebergs e glaciares como o grande reservatrio de gua doce na Terra. Aatmosfera,apesardeseraorigemdaprecipitaoqueestnabaseda disponibilidadeemguadocenamaioriadasaplicaes,apenascorrespondea 0.04% do total. A criosfera terrestre engloba os subsistemas onde existegua no estado slido. Aguaslidapodeserencontradananeve,nogelodeguadocequeseforma nosrioselagos,nogeloocenico,noslenisdegeloenosologelado,aquise incluindoosolopermanentementegelado(permafrost).Algunsdestes componentessoessencialmentesazonaisenquantoqueoutrospodem Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 73 permanecernoestadoslidoduranteperodoentre104e105anos.Nocasoda Antartidaorientalaspartculasdeguapermanecemnoestadoslidodurante cerca de 106 anos. AmaiorfracodegeloestlocalizadanaAntrtida.Nohemisfrionortearea cobertaporgeloatingecercade23%dototalnomsdeJaneiro.Adistribuio espacial da criosfera terrestre a seguinte: ComponenteArea (106 km2)Volume (106 km3) Permafrost10.690.0097-0.0250 Permafrost Descontnuo12.100.0017-0.0115 Antrtida Oriental10.122.7 Antrtida Ocidental e Peninsula2.33.0 Gronelndia1.82.6 Pequenas Calotes Geladas0.680.18 Escudos de Gelo1.50.66 Fig. 5.2:Distribuio da criosfera terrestre. Fonte: Projecto CLIC (Climate and the Cryosphere) adaptado de http://stratus.astr.ucl.ac.be 5.2 Dinmica da criosfera 5.2.1 Deposio e Compactao Umtarolodegelorecuperadohojeoresultadodeumprocessolongode deposioecompactao:Adeposiofeitasobaformadeneve,cujamassa volmica varia entre 100 e 400 kg/m3, e onde a fraco de ar muito importante. Apressodomaterialsobrejacentelevacompactao,comaremoode grandefracodoar,doqualpermaneceapenascercade10%.Esteprocesso podedemorarmilharesdeanos,atingindo-seumaconfiguraoestvel,como aprisionamente de bolhas gasosas nos poros do gelo (pore close-off), que ocorre a uma profundidade de cerca de 50-150m, tendo este material uma massa volmica de830kg/m3.Acimadaprofundidadedeclose-offverificam-setrocascoma atmosfera, sob a forma de difuso, adveco e conveco.Ointervalodetemponecessrioaoprocessodeaprisionamentodasbolhas gasosas,Leaaquehajanecessariamenteumadiferenatemporalentreaidade da matriz e a idade das bolhas. Na Gronelndia admite-se que essa diferena seja prximados210anos,enquantoquenaAntrtidaessadiferenapodeser superioraalgunsmilharesdeanos,e dependentedecondieslocais.Poroutro lado,adifusodosdiferentesconstituintesdaatmosferadependedamass moleculardestes,peloqueacomposiorecuperadanogelonotraduz imediatamenteaproporodaatmosferaquelhedeuorigem,sendonecessrio corrigir o efeito de difuso. 5.2.2 Balano de Massa Umlenoldegeloumaestruturadinmicaformadaporneveegelo,quepode Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 74 ser representada esquematicamente da forma seguinte: Fig. 5.3 Principais Processos envolvidos na dinmica de um lenol de gelo: acumulao (precipitao); ablao (perca por fuso) e parto (formao de icebergs). Operfilsuperiordogeloalteradocontinuamente,pelaacocombinadadas variaes da taxa de acumulao, da taxa de ablao, do parto e do fluxo do gelo. Nasregiessuperioresdominaaacumulaodeneve,nasmargensmenos elevadas domina a ablao, por fuso. A linha de equilbrio separa as zonas de acumulao e de ablao: acima da linha de equilbrio a acumulao domina a ablao, enquanto que abaixo dessa linha a ablaodominaadeposio.Notequeestadeterminaorealizadapara observaesanuais,enoexcluiquepontualmentepossaexistirfusoacimada linha de equilbrio ou acumulao abaixo dessa linha. Quandoolenoldegeloterminajuntoagua,olenolperdemassaporparto, comonascimentodeicebergs.Asomadostrstermos(acumulao,ablaoe calving) designada por balano de massa. bm = ac ab ca Umlenoldegelopodemanterumaformaquaseinalteradaatravsdaaco combinadadaacumulao,ablaoe parto;diz-seque neste casoele estnuma situao de equilbrio dinmico e implica que o balano de massa seja nulo. Nesta situao,aacumulaodenovomaterialnotopocompensadapela compatao,pelofluxodirigidadasaltitudeselevadasparaasaltitudesbaixas, perto do mar, e pela perca de gua sob a forma de ablao ou parto. 5.3 Glaciaes O facto de o processo de deposio-compactao conduzir ao aprisionamento de pequenasbolhasdear,representativasdapaleo-atmosferafornecea possibilidadedeanalisarumgrandeconjuntodeparmetrosapartirdeuma sondagem de gelo: temperatura, taxa de acumulao do gelo, nvel de actividade vulcnicanaTerra,alteraesdacomposioqumicadaatmosfera,actividade Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 75 biolgica,coberturadenvens,alteraesdacirculaoatmosfrica,extenso da criosfera e espessura. Adeterminaodapaleo-temperaturaapartirdoOxignioaprisionadosegueo mtodoo18Odescritonocaptulo1.Adeterminaodaidadepodeserfeitapor contagem de camadas anuais (semelhante dendrocronologia), pela identificao dedepsitosvulcnicosconhecidos(cinzascorrespondentesaerupesbem datdas) ou por radioistopos, em particular o 14C. Detodososcoresrecolhidosnasregiespolares,oquemaisinfluenciouo conhecimento sobre o paleoclima foi o obtido em Vostok na dcada de oitenta do sculo passado, e que ps em evidncia a existncia de quatro perodos glaciares nos ltimos 400 000 anos. Na figura seguinte reproduzem-se os dados obtidos por Petit e co-autores (2001) paraoteoremDixidodeCarbonoeodesviodatemperatura(emrelao actual), inferida a partir dos istopos estveis do Oxignio. Fig. 5.5:Temperatura inferida (a azul), como um desvio em relao ao valor actual,e concentrao em Dixido de Carbono (a verde)da sondagem de Vostok (adaptado de Petit et al., 2001) Notequeaolongodecadacicloglaciaraquirepresentado,aconcentraodo CO2 atmosfrico varia entre 180 e 280 ppmv. Umasegundasondagemrealizadamuitopertodaanteriorpermitiualargaro estudo para o perodo 0 - 800ka tendo posto em evidncia 8 ciclos de glaciao, e mantendo a estimativa de 100 000 anos para o intervalo mdio entre eles. 5.4 Variao do Nvel do Mar Onvelmdiodomardeixaumaassinaturageogicanoregistosedimentar, porque separa um domnio imerso onde predominam os processos deposicionais, do domnio emerso, onde domina a eroso. Quando o nvel do mar varia de forma significativa,asantigaslinhasdecostasoperservadassobaformadeterraos de abraso marinhae podemposteriormente serreconhecidos.Ainterpretao 0 100000 200000 300000 400000180200220240260280300-10-8-6-4-2024oTCO2Desvio da Temperatura (C)CO2 (ppmv)Idade do gs (ano)Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 76 destesterraoscomplica-sequandoconsideramosomovimentoquerhorizontal quer vertical da crusta terrestre que, como veremos no captulo 7, pode ser muito importante.Asvariaeseustticasdonveldomar,ouseja,asvariaesdonveldomar corrigidas da dinmica continental, e que dependem apenas do volume do oceano ou das bacias que o contm, podem ser atribudas a um conjunto de factores: Criosfera: o gelo existente na Antrtida e na Gronelandia suficiente para elevar o nvel do mar 65m e 6m, respectivamente. Mesmo uma pequena variao nessa quantidadedegeloumfactorimportanteparaavariaodonveldomar.Os glaciares tambm podem dar uma contribuio importante para essa variao; Expanso Trmica: qualquer variao da temperatura superfcie da Terra, como consequncia do balano radiativo, ou da dinmica da circulao ocenica global, temcomoefeitoumavariaodevolumepordilataooucompressotrmica. Sebemqueaexpansotrmicasejaofactormaisimportanteavariaoda salinidadetambmgeravariaesdedensidade(cffigura4.7),eportantode volume; AquferoseLagos:variaesdosfluxosrespectivospodemtraduzir-seem variaes do volume do oceano e, como tal, do seu nvel mdio; ColisoContinental,AlastramentoOcenicoeSedimentao:amudanada configuraodasplacaslitosfricasouvariaesdosdepsitossedimentares podem alterar o volume do oceano e, como tal, do seu nvel mdio. Nasescalastemporaismaiscurtas(anosadcadas),ascausasmaisimportantes da variao do nvel mdio do mar so aexpanso trmica e as trocas de massa entre o oceano e os continentes. Designam-se globalmente como steric effects.Nas escalas temporais mais longas dominam os processos tectnicos. NoquartoAssessmentReportdoIPCC,socomparadasasimportnciasrelativas dosdiferentesfactoresexplicativosparaasubidaobservadanonveldomarno perodo 1993-2003: FactorTaxa de Subida (mm/ano) Expanso Trmica1.6 0.5 Glaciares e Calotes Polares0.77 0.22 Lenis de Gelo da Gronelndia0.21 0.07 Lenis de gelo da Antrtida0.21 0.35 Soma 2.8 0.7 Observado3.1 0.7 Fig. 5.4:Importncia das variaes da criosfera para a elevao do nvel do mar. Apesardasdiferenasaindaexistentesedosdesviossignificativos,avariaoda coberturaem geloeneve quetemsidoobservada, um factordeterminante da elevao do nvel do mar. Asvariaesdamassadeguadooceanotendemadistribuir-sedeforma uniforme, mas existem fenmenos fsicos que geram efeitos de carcter regional: efeitoselasto-gravticosnadistribuiodaguaprovenientedafusodogelo, Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 77 foramentopeloventoevariaesdacorrentetermo-halina.Nasescalasde tempodedcadas,asvariaesdonveldomartermoestricasesto relacionadascomasperturbaesdecadaisdoacoplamentooceano-atmosfera (ENSO, PDO, NAO). 5.5 Exerccios de Aplicao 1.Qualoprocessoprimrioconducentesalinizaodooceano?Listetrs razes pelas quais a salinidade do oceano no est a aumentar. 2.Diga o que entende por profundidade de close-off. Soluo:aprofundidadeaqueanevedepositadanasregiespolares,secompacta suficientemente, de modo a impedir as trocas gasosas com a atmosfera, e assim aprisiona na sua matriz uma fraco, normalmente inferior a 10%, de componentes atmosfricos, representativo da atmosfera, para a poca em que essas trocas tero terminado. 3.Emquepocasdosltimos400000anosqueaconcentraodoCO2 atmosfricofoimaisbaixa?Quevaloresalcanou?[utilizeafigura5.5ou,de preferncia, recupere os dados correspondentes na Web]. 4.AsuperfciedolenoldegeloAntrticodecercade14.4x106km2easua espessura mdia de cerca de 1600m. Supondoque todos este gelo funde e queaguacorrespondenteincorporaooceano,qualavariaodenveldo mar produzida ? Considere uma densidade mdia de 900 kg/m3 para o gelo. Soluo:OvolumedegelodaAntrtidade14.4x1600x1012m3 =2,304x1016m3.Amassa correspondenteser2,0736x1016kg,oquedarorigemacercade2,0736x1019m3 degua lquida.Sendoasuperfciedooceanoiguala0.7x4x3.1416x63710002=3.570x1014m2, teremos uma subida de cerca de 58 metros. 5.Denomina-segelomarinhoaogeloformadoforarrefecimentodaguado mar e que se encontra a flutuar no oceano. Sabendo que o valor mdio anual dogelomarinhonorticotemovalor9milhesde quilmetrosquadradose 1,89mdeespessuramdia(valorde2008),determineavariaodonveldo mar que se observaria se todo esse gelo fundisse. 6.Ocoeficientedeexpansovolumtricadagua,a20 oC|=0.00021 oC-1, sendoarelaoentreadensidade(d)eatemperatura(T)dadapor d0/d=1+|(T-T0), a) Calcular a variao na altura de uma camada de gua de 500m devido a um aumento de temperatura de 2C, assumindo que no h alteraes de massa de gua nem da superfcie que esta ocupa. b) Considerando que a profundidade mdia dos oceanos de 3500m, de que formaoclculoanteriorestrelacionadocomavariaoglobaldonveldo mar?Quaisaslimitaesdestemodelosimplificadoparaacaracterizaoda expanso trmica dos oceanos? 5.6 Bibliografia Drewry, D. 1986. Glacial Geologic Processes, Edward Arnold, London. Graedel T. E. e P J Crutzen, Atmospheric Change, An Earth System Perspective, W H Freeman and Company, New York, pp 1-446, 1993. Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 78 Petit, J.R., et al., 2001, Vostok Ice Core Data for 420,000 Years, IGBP PAGES/World Data CenterforPaleoclimatologyDataContributionSeries#2001-076.NOAA/NGDC Paleoclimatology Program, Boulder CO, USA. VanderVeen,C.J.1999.FundamentalsofGlacierDynamics.Balkema,Rotterdam/Brookfield, 462 pp. Nerem RS, Leuliette E, Cazenave A. Present-day sea-level change: A review. C. R. Geoscience 338 (2006) 10771083. Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 79 Cap 6 BIOSFERA 6.1 Introduo A evoluo da atmosfera terrestre, e em particular o enriquecimento em oxignio e o emprobrecimento em dixido de carbono envolve o papel activo da biosfera. A vida dever ter comeado na Terra numa fase precoce da sua evoluo: Hcercade3.5milharesdemilhesdeanosascianobactrias,clulassimples procariotasdesprovidasdencleo,comearamarealizarfotosntese,emitindo oxignio. Hcercade2.7milmilhesdeanosapareceramasclulasprocariotas,com ncleos e paredes protectoras. Afracodeoxignionaatmosferateraumentandosignificativamentecerca de2.3milmilhesdeanos,reagindocomoferroexistentenaguadomar,e conduzindo formao de sedimentosmuito ricos em xidos de ferro queainda hoje so a principal fonte deste elemento para minerao.Oferrodisponvelnosoceanoster-se-esgotadohcercade1.7milmilhesde anos, aumentando ainda mais o oxignio atmosfrico disponvel. Algumas clulas procariotasparaasquaisooxigniotxico,comoasmitocndrias,formaram associaes com outras clulas procariotas, que esto na base de todas as plantas e animais que conhecemos.NoCmbrico(570Ma),oniveldeoxignionaatmosferaatingiuvalores semelhantesaosactuais,comoconsequnciadodesenvolvimentodabiosfera vegetalterrestrenoSilrico(430Ma).NoCarbonferoooxignioter aumentadocomoconsequnciadasflorestasquesedesenvolveram,admitindo-sequeoseuteorterdimiuidoduranteacatstrofeprmica,eaumentado progressivamente durante o Mesozico. Apesardeabiosferaestarespacialmenteinterligadacomasrestantes componentesdosistemaclimtico,convenienteconsider-ladeformaisolada. A biosfera afecta o albedo, uma vez que as reas florestais possuem albedo muito baixo,entre0.09e0.18,emfunodotipodecoberturaflorestal,afectandode forma importante o balao radiativo. A biosfera umcontribuinte importante dos aerossis, sob a forma de esporos, micro-organismos,polnseoutrasespciestransportadaspelovento atmosfrico. Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 80 Contudo,ainflunciadeterminantedabiosferatemavercomosfluxos biogeoqumicos do Dixido de Carbono e do Metano. A influncia da biosfera na concentraodoCO2atmosfricofoipostaemevidnciadeformaclarapelo programa iniciado em 1958 por Charles Keeling no observatrio de Mauna Loa, no Havai,demediorigorosadaconcentraododixidodecarbonoatmosfrico, j referido no captulo 1.SedeterminarmosumatendnciaseculardevariaodaconcentraodoCO2 atmosfricoedeterminarmosparacadamsdoanoamdiaentreovalor observadoeessatendncia,recuperamosumavariaosazonalsemelhante apresentada na figura seguinte: Figura 6.1: Variao Sazonal do CO2 atmosfrico observada em Mauna Loa, no Havai. DestemodoacurvadeKeelingdemonstrademodoobjectivoaexistnciade umaimportantecomponentesazonalnavariaodaconcentraodoCO2 atmosfrico, que se atribui ao ciclo anual da biosfera terrestre.6.2 Niveis Trficos Seexceptuarmosumconjuntomuitopequenodeecossistemas(sistemas hidrotermaisdomarprofundoecomunidadesmicrobianasdeambientex extremos), a radiao solar constitui a fonte de energia que utilizada pelos seres vivos.Contudo,daquantidadetotaldeenergiasolarrecebidanaTerra(5.1024J /ano) apenas uma pequena parte (3.1020 J/ano) utilizada na fotosntese, e desta apenasumapequenaparteutilizadapelaclorofilaa,sendoarestanteutilizada para aquecimento e evaporao da gua, contribuindo assim para o ciclo da gua. Designa-sepornveltrficooconjuntodosorganismosquerecebeenergiade umamesmafonte.Osnveistrficosmaisimportantessoosfotosintetizadores (produtoresprimrios),osherbvoros(quesealimentamdeplantasoupartes delas),oscarnvorosprimrios(quesealimentamdeherbvoros)eoscarnvoros secundrios(quesealimentamdecarnvorosprimrios),carnvorosterciriose detrivoros(quesealimentamderestosmortaisdeoutrosorganismosvivos).A relaodedependnciaqueenvolveosvriosnveistrficosdesigna-sepor cadeia alimentar. A parte mais importante da energia que capturada pelos seres vivos utilizada Universidade de Lisboa Terra, Ambiente e Clima / 81 paramanteroseumetabolismobsicoedissipadasobaformadecalor.A energialquidacapturadapeloorganismo,sobaformadecrescimentoe reproduo, disponibilizada para o nvel trfico seguinte mas s cerca de 10% aproveitadaporele,apesardasgrandesvariaesemtornodestevalormdio. Destemodo,osnveismaisbaixosdacadeiatrficadominamosciclos biogeoqumicos. 6.3 Fotosntes e Composio Atmosfrica 6.3.1 Fotosntese e fotorespirao Osprodutoresprimriossoessenciamenteosfotossintetizadores.Afotosntese podeserdescritaporumprocessoqumicosimplesnoqualseismolculasde guaseunemaseismolculasdedixidodecarbono,paraproduzir1molcula de glucose e 6 molculas de oxignio:

(6.1) Nas plantas a fotosintese tem lugar nas folhas. A gua transportada pelo xilema, enquantoqueooxignioeodixidodecarbonotransitamatravsdepequenos orifcios(estomatos)existentesnacutculadasfolhas.Nesteprocessoaplanta perde quantidades significativas de gua. Osorganismosfotossintticospossuemclorofilaa,podendoaindaexistir pigmentosassessrios,comoasclorofilasb,c,d,e,xantfilosecarotenides.A clorofila absorve energia da radiao entre 400 e 450 nm (violeta-azul) e na banda dos650-700(vermelho)sendoquasetransparentenabanda500-600(verde-amarela) pelo que se apresenta como um pigmento dominantemente verde. Fig. 6.2:Espectro de absoro da clorofila a. Compare com a figura 3.11 para concluir a razo pela qual a biosfera vegetal se apresenta como dominantemente verde. Oprocessobioqumicoquerepresentmossimplesmentepelaequao6.1 envolve duas fases essenciais.A primeira fase (luminosa) envolve a captao da energia radiante pela clorofila e Universidade de Lisboa Terra Ambiente e Clima / 82 que conduz converso de ADP em ATP. A segunda fase (no luminosa) pode ocorrer na ausncia de luz,