a água do mar e o ciclo global - Oceanografia

A ÁGUA DO MAR E O
CICLO GLOBAL
“NA NATUREZA NADA SE CRIA NADA
SE PERDE, TUDO SE TRANSFORMA"
Anaxagore de Clazomènes
(Filósofo da Antiguidade)
“Porque nada se cria, nem dentro das operações das Artes,
nem dentro daquelas da Natureza, e pelo princípio que diz
que dentro de todas as operações, há uma quantidade igual
de matéria antes e após a operação , que a quantidade e a
qualidade dos princípios são as mesmas, e que não existe
mudanças e modificações”
Lavoisier
"NA
SUPERFÍCIE
DA
TERRA
A
QUANTIDADE
DOS
ELEMENTOS
QUÍMICOS
SÓ
MUDA
DE
LUGAR,
PERMANECENDO CONSTANTE A QUATRO
BILHÕES DE ANOS"
Size of the Planets
Fig. 1.4
Apesar das diferenças
observadas,
as
análises laboratoriais
indicam a mesma
composição antes e
após
as
diferenciações.
Formation of the Moon
(about 4.5 billion years ago)
Fig. 1.5
Global Chemical Differentiation
(begins about 4.3 billion years ago)
Fig. 1.6
Chemical Composition of
Earth
Whole Earth:
Crust:
Fe+O+Si+Mg = 93%
Si+O+Al = 82%
Fig. 1.7
Major Components of the
Earth System
Fig. 1.10
HISTÓRIA DA ATMOSFERA
DA TERRA
N2
CO2
H2O
O2
oceano CO2
forma
dissolve
Desgaseificação
4.5 Gy
A.P
Vida nos
oceanos
4 Gy
A.P.
O2 atinge os
níveis atuais;
vida invade
continentes
Início da
fotossíntese
3.5 Gy
A.P.
0.4 Gy
A.P.
A Atmosfera Primitiva
A atmosfera primitiva não continha oxigênio e tinha muito metano,
amônia e grandes quantidades de dióxido de carbono.
presente
ORIGEM E EVOLUÇÃO DA ATMOSFERA
Hipóteses da Desgaseificação
e da Dissociação Química
Como é que os gases
originados no Interior da
Terra chegaram a superfície?
Os gases que teriam sido originados
no interior da Terra, chegaram a
superfície através dos vulcões:
Desgaseificação Vulcânica.
in Press, F. & Siever, R. (1997)
De acordo com a hipótese da desgaseificação,
os gases constituintes da atmosfera primitiva
tiveram origem no interior da Terra.
in Press, F. & Siever, R. (1997)
Possibilidade de alguns gases como o Hidrogénio
e o Hélio terem escapado para o espaço. Algumas
hipóteses justificam esta ocorrência.
Após o período transitório da acreção, o
planeta sofreu um grande aquecimento,
que conduziu a profundas alterações
na sua atmosfera.
Por este motivo,
e por a Terra não possuir gravidade suficiente, os gases
voláteis como o Hidrogénio, o Hélio e outros gases raros
escaparam para o espaço.
ATMOSFERA ATUAL
Constituição da Atmosfera
Camadas da Atmosfera
Ar seco:
78% Nitrogênio;
21% Oxigênio;
1% Argônio;
0,03% Dióxido de Carbono;
Vestígios: Néon, Hélio, H, Xe,
Ozônio, etc
Vapor D’água
≈0% até 4%
Aerossóis
Partículas sólidas provenientes do
solo, de origem orgânica e
inorgânica, explosões vulcânicas,
combustão de gás, carvão, petróleo,
queima de meteoritos na atmosfera,
etc.
Do ponto de vista meteorológico, o que
nos interessa mais diretamente passa-se
na camada inferior da atmosfera, com
cerca de 15Km de espessura.
in Jácume, M.G. & Lourenço, M.H. (1999)
Anteriormente, considerava-se que a atmosfera primitiva
teria uma composição semelhante à apresentada no gráfico.
Faça uma comparação entre esta e a atual!
Nesta hipótese, a atmosfera primitiva seria constituída por azoto
(N2), vapor de água (H2O), dióxido de carbono (CO2), amoníaco
(NH3), metano (CH4) e hidrogénio (H2), libertados durante as
intensas erupções vulcânicas que caracterizam este período.
A principal diferença entre esta atmosfera primitiva e a
atmosfera atual, reside, principalmente, no fato da primeira
não possuir Oxigénio livre (O2).
H
O
H
H H
H
O
H H
H
A Hipótese de Dissociação Química, tentou
explicar quimicamente quais os fenómenos
que teriam transformado a atmosfera
primitiva na nossa atmosfera atual.
O O
Deste modo, aventaram as seguintes
explicações::
•Admite-se que o metano (CH4) pudesse ter sido substituído pelo
dióxido de carbono.
•A amonía (NH3) ter-se-ia fotodissociado, originando azoto e
hidrogénio.
•A água (H2O), teria igualmente sofrido fotodissociação, com
libertação de oxigénio e hidrogénio.
Segundo dados mais recentes, verificou-se que a atmosfera
primitiva deveria conter CO2 e N2 em elevadas quantidades
e vestígios de CH4, NH3, SO2 e HCl. Com o decorrer dos
tempos, a atmosfera teria evoluído para a composição que
apresenta na atualidade.
Mas como explicar esta evolução? Como explicar
o aparecimento de Oxigênio na atmosfera?
A capacidade de alguns seres vivos realizarem a fotossíntese
oxidativa deveria ter permitido o aparecimento de oxigênio
na atmosfera. Parecem terem sido um grupo específico de
bactérias
- as cianobactérias, os primeiros organismos a
realizar este processo biológico de extrema importância.
EVOLUÇÃO DE PROCARIONTE PARA EUCARIONTE
A
B
Sabe-se que o Ozônio (O3) constitui uma das camadas
da atmosfera atual que é essencial para a vida na Terra.
Tendo em atenção que 4 O2
2 O3 + O2, formula
uma hipótese explicativa para o aparecimento desta camada.
Quando a atmosfera atingiu uma concentração suficientemente
elevada de oxigénio livre (cerca de 10% da atual), foi possível
formar-se a camada de ozônio (O3).
Qual terá sido a importância da camada do ozônio
para a evolução da biosfera?
in Oliveira et al. (1999)
A camada do ozônio tem a particularidade de filtrar e, deste
modo, proteger a superfície terrestre das radiações ultravioletas.
In http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica5/leituras/estufa.htm
A camada de ozônio e a elevada
concentração de dióxido de
carbono provocaram também
um aumento de temperatura do
planeta, resultante do efeito de
estufa, fundamental para a
existência de vida.
A partir daí, os
organismos
subaquáticos puderam
sair da água e povoar
as terras emersas,
desenvolvendo
adaptações aos novos
ambientes que foram
inevitalmente
ocupando.
Os oceanos vieram dos cometas?
Desgaseificação vulcânica é a teoria mais aceita para
explicar a origem dos oceanos. Mas, há evidências de que o
intenso bombardeamento por cometas ricos em gelo no
início da história da terra pode ter liberado muito da água
qua agora forma os nossos oceanos!
Geologia Marinha
Circulaç
Circulação Oceânica
Introduç
Introdução
Figuras: Open University (2002)
Ruddiman, W. (2001)
ORIGEM E EVOLUÇÃO DOS OCEANOS
Hipótese: 03 períodos principais
1º PERÍODO ≈ 4 b.a. - Diferenciação primária da Terra
Resultado
Crosta quente e de composição basáltica
Atmosfera similar a dos gases vulcânicos
(90-95% H2O (vapor)+HCl+HF+H2S+HBr+S+CH4+NH3+GN)
Resultado
Condensação do vapor d’água ocorre quando a temperatura da crosta
se torna inferior a 100°C (± 3,5 b.a.) ocorreu após ±500 anos
Idade das rochas sedimentares mais antigas
± 3,4 b.a.
Geologic Time
Fig. 1.12
ORIGEM E EVOLUÇÃO DOS OCEANOS
2º PERÍODO ≈ 3,5 a 1,5 b.a.
Primeiros oceanos ricos em gases ácidos
+ NH3
Conseqüência
Intenso intemperismo da crosta
Dissolução de grande quantidade de cátions básicos e silício
Neutralização progressiva do mar salinidade similar à atual
exceto para CO3-- e HCO3- que continuavam ausentes
ORIGEM E EVOLUÇÃO DOS OCEANOS
3º PERÍODO
Oceanos modernos - Aumenta a fotossíntese no mar
(conseqüência)
Aumento da concentração de O2
Ambiente se torna oxidante
S-- SO4-Fe++ Fe2O3
NH3 N2
CO, CH4 CO2, H2O
CO3-- e HCO3-
começam a ser abundantes
Ocasionados pela seguinte reação:
CO2 (fotossíntese) + ⇔ H2 CO3 ⇔ H+ +H CO3(lenta)
(rápida)
Podendo, posteriormente, ocorrer a dissociação
H CO3-⇔ H+ + CO3--
Balanço de materiais dissolvidos no oceano
Baseado no Modelo de Estado Estacionário
Quantidade de elementos
introduzidos por unidade
de tempo
=
Quantidade de elementos
depositado nos materiais
sedimentares ou incorporados
à atmosfera
Conseqüências
1) A composição da água do mar se manteve constante desde
o Cambriano, evitando a acumulação de espécies químicas
tóxicas Cu, As, Se, etc
Balanço de Materiais Dissolvidos no
Oceano
2) Permite definir para cada elemento
TEMPO DE RESIDÊNCIA
A = Quantidade total dos elementos na água do mar
T=
A
δA/δt)
δA = Composição média da água de rios e volume
que aporta ao oceano.
δt = velocidade média de sedimentação marinha
e composição média do elemento nos sedimentos
marinhos.
T
reflete a variabilidade da reatividade química dos elemento na água
do mar.
Elemento não é incorporado prontamente nos minerais sedimentares
comuns.
Elemento não é facilmente removido pelas reações biológicas.
Alto T
Baixa reatividade
Na+
Baixo T
alta reatividade
Mn++
MnO2
Voláteis em excesso → parte do ciclo global. Uma
pequena proporção é provavelmente juvenil ou
primordial; a maioria destes voláteis estão circulando
através do sistema por talvez milhares de milhões de
anos.
Se a composição da água do mar não mudou
significativamente nas últimas centenas de milhões
de anos ⇒ o estado estável químico é uma
característica fundamental dos oceanos ⇒ taxas
de aporte (maior parte dos constituintes dissolvidos)
e as taxas de remoção → em balanço.
Balanço de Massa
A conservação de massa é um dos conceitos
fundamentais da geoquímica.
BALANÇO MATERIAL
acúmulo
de
massa
dentro
do
sistema
entrada
de
massa
nos
limites
do sistema
=
Sistema de
armazenamento
saída
de
massa
nos
limites
do sistema
-
Σ input
Σ outputs
entrada – saída = acúmulo
BALANÇO MATERIAL COM REAÇÃO QUÍMICA
acúmulo
de
massa
dentro
do
sistema
=
entrada
de
massa
nos
limites
do sistema
-
saída
de
massa
nos
limites
do sistema
+
geração
de
massa
dentro
do
sistema
-
consumo
de
massa
dentro
do
sistema
As amplas correlações entre os tempos de residência
e as concentrações + outras relações → sugerem que a
química dos oceanos tem sido controlada (para a
maior parte do tempo geológico) por algumas regras
biogeoquímicas básicas → mantido a estabilidade à
longo prazo da composição da água do mar
(evidências geológicas suportam tal conclusão).
Estabilidade à longo prazo da composição
não significa constância eterna (deve haver
algumas mudanças na composição da água do
mar com o tempo).
Profundidade de Compensação
Carbonática
A profundidade de compensação
carbonática é o nível do oceano
abaixo do qual o carbonato de
cálcio dissolve-se
Abyssal hills
Fig. 17.11
PROCESSOS GEOQUÍMICOS DA ÁGUA DO MAR
Muitos
Muitosprocessos
processosregulam
regulamaacomposição
composiçãodas
daságuas
águasdos
dosoceanos.
oceanos.
AAconcepção
de
um
estado
oceânico
estável
sumariza
a
idéia
concepção de um estado oceânico estável sumariza a idéiaque
que
os
íons
são
adicionados
e
removidos
na
mesma
proporção.
os íons são adicionados e removidos na mesma proporção.
Composição da água do mar na
Terra primitiva → diferente
da atual. [HCO3-]
provavelmente < apenas do
que [Cl-] (o enxofre → sulfeto
relativamente insolúvel mais
do que na forma de sulfato
solúvel). Fe2+ e Mn2+ →
solúveis → + abundantes.
Desastre
Desastreno
nofim
fimdo
do
Permiano(~250M.a.),
Permiano(~250M.a.),com
com
impactos
impactosde
deMeteoritos,
Meteoritos,
intenso
intensoVulcanismo,
Vulcanismo,
aumento
aumentode
deCO
CO22na
na
Atmosfera.
Atmosfera.
⇒CO2:O2 atmosférica ↓ com o
tempo
→
fotossíntese
+
precipitação
de
sedimentos
carbonáticos.
Especulação: a vida só colonizou as superfícies dos
continentes ca. aproximadamente 400 milhões de
anos atrás (O2 suficiente para desenvolver
a
camada de ozônio → filtrar a maior parte da
radiação ultravioleta nociva do Sol).
Variações do O2 atmosférico durante as últimas
centenas de milhões de anos não pararam de
ocorrer. (de 5 vezes maior - 1/10 dos níveis presentes,
desde cerca de 600 milhões de anos atrás).
Atmosfera oxidante e um ↓ CO2 → a atmosfera e
o oceano → composições cada vez mais próximas das
atuais.
Com o tamponamento da temperatura dos
oceanos → superfície da Terra → tolerante para
a vida. Existe boas evidências geológicas de que a
Terra é normalmente caracterizada por pólos livres
de
gelo
e
relativamente
leves
gradientes
de
temperatura em direção aos pólos.
Em resumo, a Terra atual está em uma condição
atípica: nós estamos provavelmente ainda na idade
glacial
pleistocênica
(~1,6Ma),
apreciando
um
"verãozinho" relativo de um intervalo interglacial.
A principal idade glacial anterior → 300 milhões de
anos atrás (Permo-Carbonífero).
O Caso Especial do CO2
Carbono → base da célula viva; CO2 → forma utilizada
na produção primária fotossintética.
No início da história geológica da Terra:
CO2 era 1000 vezes mais abundante do que na
atmosfera atual.
a luminosidade solar → 25% menor do que é agora ⇒
Terra recebia somente 3/4 da radiação solar atual
CO2 → principal contribuinte para o efeito estufa
atmosférico (+ vapor d'água). Quanto mais CO2 na
atmosfera, maior será o efeito.
Se os níveis de CO2 não tivessem caído à
medida que a luminosidade solar aumentou,
como deveria ser agora a superfície da
Terra?
Muito quente: ≈ Vênus.
≠ de Vênus, a Terra primitiva → afastada do
Sol para que a água líquida pudesse existir em
sua superfície, nos rios, lagos e mares.
CO2 → dissolveu na água e a incorporação de
carbono em tecidos orgânicos e sedimentos →
começou logo depois.
Produção primária de C no Oceano (mg C m-2 dia-1)
after Chester (2000) fig. 9.6
O reservatório oceânico: Produtividade
Geologia Marinha
Circulaç
Circulação Oceânica
Caracterí
Características da água do mar
Temperatura
Insolação vs. latitude
Figuras: Open University (2002)
Ruddiman, W. (2001)
O CO2 no sistema atmosfera-oceano
após Chester (2000) fig. 8.7
Média anual:
diferença entre
superficie
oceânica e ar de
cobertura
(ΔρCO2) em µatm
Tabela 1. Quantidade de Carbono nos Vários
Reservatórios ( x 10 12 toneladas de CO22
equivalente)
Reservatórios
Quantidades
aproximadas
Atmosfera
Biomassa (matéria viva)
Solos (carbono orgânico)
Oceanos e água doce (em solução)
Sedimentos carbonáticos
Combustíveis fósseis (+ carbono
orgânico nos sedimentos)
2
30
25.000
140
150.000
27
não se sabe se as trocas na concentração de CO2
atmosférico são uma consequência das flutuações da
temperatura ou a causa delas.
Muitas hipóteses:
Δ[CO2] atmosférico ⇔ variações na produtividade biológica, no
nível do mar, e na circulação de sistemas de corrente de
superfície e profundas (formação da massa de água profunda nas
latitudes polares, e regiões de ressurgência, onde a produção
biológica é alta).
☺ é relativamente certo → Δ[CO2] atmosférico pode não ser a
principal causa das flutuações de temperatura - mas pode reforçar
tendências climáticas já estabelecidas, mas, provavelmente não as
iniciam.
DE VOLTA PARA O FUTURO
CO
CO22 na
na atmosfera
atmosfera tem
tem aumentado
aumentado desde
desde aa
revolução
revolução industrial
industrial
Colunas de gelo com até
100.000 anos foram
coletadas na Estação de
Ciências de Vostok para
análises de:
1) Temperatura,
2) CO2,
3) Metano.
Box 16.1
Concentração de CO2 nos testemunhos
de ingelo
e Samples and
CO2 Concentration
Ice Core
Projeção do CO2 atmosférico para
Projections
os próximos
for Next
100
100anos
Years
700
Projected
Projetado
(2100)
(2100)
650
600
Vostok Record
Registro
Vostok
Registro
Law
Dome
IPCC IS92a
Scenario
Registro
Mauna
Loa
Law Dome
Record
Cenário
IPCC
IS92a
Mauna Loa Record
500
450
400
Atual (2005)
Current
(2001)
350
300
250
200
150
400,000
300,000
200,000
100,000
0
Years Before Present (BP 1950)
Source: C. D. Keeling and T. P. Whorf; Etheridge et.al.; Barnola et.al.; (PAGES / IGBP); IPCC
Temperatura Global Comparada com
o Aumento da Concentração de
CO2
Fig. 23.8a
CO2 Concentration (ppmv)
550
A Temperatura e os gases de efeito estufa
declinam durante os períodos glaciais
Fig. 23.7
A Temperatura e os gases de efeito estufa
aumentam rapidamente durante a
deglaciação
Fig. 23.7
O Clima tem estado relativamente aquecido
durante os ultimos 10.000 anos, considerado como
um Período Holoceno Interglacial
Fig. 23.7
CICLO DO CÁLCIO
(Fluxo de Entrada e Saída no Oceano)
Fig. 23.10
Comparação entre principais elementos
contidos nas águas do mar x águas de rios
Componente
HCO3
Água do rio
(%)
48,6
Água do mar
(%)
0,41
SO4
9,3
7,68
Cl
6,5
55,05
Ca
12,5
3,4
3,69
Na
5,3
30,61
K
2,0
1,10
Fe
0,6
<
Sr, H BO , Br
3
3
11,0
<
Adaptado de Mason (1971)
Oceanos
Rios
Na+>Mg++>Ca++
Ca++ >Na+>Mg++
1,16
Mg
SiO 2
Cátions
<
0,30
Ânions
Oceanos
Rios
Cl->SO4- ->HCO3-
HCO3- > SO4- -> Cl-
O CICLO DO CARBONO
(Apresentando reservatórios e fluxos)
Fig. 23.11
COMPORTAMENTO DO CARBONATO MARINHO
Sketch of
the ocean
carbon
biological
pump (from
Houghton et
al. 1996)
Efeito estufa: Aquecimento atmosférico e da superfície
em uma escala de tempo de décadas.
Conseqüências:
degelo das capas de gelo polares
aumento dos níveis do mar.
A temperatura média global da superfície → ↑ 0,5°
desde o final do século XIX e o nível do mar tem
aumentado alguns 10 a 15 cm no mesmo período →
descongelamento do gelo + expansão térmica das poucas
centenas de metros do topo da coluna d'água.
Até o ano 2030: a temperatura média e o nível do mar
poderão ter aumentado em quantidades similares.
What are the greenhouse gases?
(excluding H2O)
Carbon Dioxide:
Methane:
“CFC’s”:
Nitrous Oxides:
Others:
49%
18%
14%
6%
13%
O CO2 não é o único gás estufa, mas os seus
efeitos são os maiores porque a sua
concentração na atmosfera está aumentando
com mais rapidez.
Nem todo o CO2 liberado pelas atividades humanas
tem permanecido na atmosfera:
☺ parte do excesso → utilizada pelas taxas
incrementadas de produção fotossintética terrestre;
☺ o restante tem dissolvido nos oceanos, onde está
disponível para uma maior produção primária e uma
maior precipitação de carbonatos.
☺ A biosfera → equilibrando o aumento artificial no CO2
atmosférico (sumidouro para uma parte dele e também
amortecendo o efeito estufa).
Principal causa da queda progressiva na razão CO2:O2
→ atividade biológica (remoção de CO2 e liberação de
O2 durante a fotossíntese).
Relações desse tipo → um novo conceito, o qual está
começando a ganhar maior aceitação: "a superfície do
nosso planeta é mantida ativamente como um
ambiente em movimento,suportando a vida através
das atividades “tectônicas” e biológicas,atuando como
mecanismos de retroalimentação".
Esta teoria é a pedra básica da Hipótese
Gaia,
de
(formulada no início da década de 70;
adquiriu proeminência apenas no meio da década de
80).
“Nós, terráqueos, estamos admiravelmente adaptados ao
ambiente da Terra porque crescemos aqui. As primeiras
formas de vida, que não estavam bem adaptadas, morreram. (...)
Os seres que tenham evoluído num mundo totalmente diferente,
certamente que também cantam os seus louvores.”
Sagan, C. (1984)
in http://www.gps.caltech.edu/~gab/ge128/ge128.html
O que pensas que Carl Sagan quereria dizer com esta
última afirmação?
~ FIM ~