Paleoclimatologia
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1. Introdução
O clima, ao longo dos anos, vem mudando significativamente, graças a diversos fatores naturais. Devido a estas mudanças, ao longo do tempo, um estudo sobre os fatores relacionados a estas mudanças climáticas, deve ser efetuado com base em um contexto mais amplo de como e onde tais mudanças ocorreram, podendo, assim, ajudar na previsão de mudanças futuras. Essa História do clima pode ser deduzida através de impressões naturais, que estão espalhadas pelo planeta. Estas informações podem constituir não só uma amostra de como o clima mudou, mas também de como o clima se comporta, se há ciclos... Além disso, é necessário diferenciar aquilo que é uma mudança natural do clima daquilo que foi causado pela ação humana.
2- O Que é Paleoclimatologia Paleoclimatologia é o estudo de vestígios naturais que podem ajudar a determinar o clima em épocas passadas. As observações meteorológicas com a ajuda de instrumentos, tais como conhecemos hoje em dia, datam de apenas 100 ou 200 anos, dependendo do lugar. Porém este é um período muito curto se quisermos analisar as mudanças sofridas pelo clima ao longo dos tempos. Estamos falando de eras e períodos de milhares ou até milhões de anos atrás.
3- Introdução à História do Clima
Nos últimos 2 bilhões de anos, o clima na Terra tem se comportado de forma mais ou menos cíclica, com períodos quentes e períodos frios (chamadas glaciações). Estas mudanças bruscas na temperatura são causadas por diferentes aspectos, tais como perturbações na órbita da Terra, Ciclos de Milankovich (que será discutido mais à frente) entre outros.
4- Técnicas Utilizadas
Para se determinar o clima em eras passadas, pela não existência de observações meteorológicas que cobrissem um intervalo de tempo satisfatório, os paleoclimatólogos utilizam algumas técnicas e diversos estudos para se determinar o clima passado. As técnicas mais utilizadas são:
I- Estudo de geleiras
É uma das técnicas mais empregadas. A avaliação de geleiras é possível, pois estas vão se depositando em camadas, de acordo com a era em que foi formada (as mais recentes vão cobrindo as mais antigas). Estima-se que as calotas polares possuem mais de 100.000 camadas! Nestas camadas, estudiosos encontraram pólen, o que é útil para estimar a cobertura vegetal em determinada época. A espessura da camada pode ajudar a determinar a quantidade de chuvas que aquela região recebeu, pois quanto maior a camada, maior a quantidade de chuvas. Além disso, a relação entre diferentes isótopos de Oxigênio e Hidrogênio podem ser um indicador da temperatura média daquela região. Dependendo da camada em que forem encontrados, os cientistas podem avaliar a temperatura média daquele período. Destes estudos é que vieram as teorias sobre os ciclos sofridos pelo clima ao longo das eras.
II- Árvores Petrificadas (Dendroclimatologia)
Fósseis de árvores são úteis para a determinação da temperatura e da umidade. Através de datação radiométrica, que utiliza o tempo de vida média dos átomos que constituem o material, determina-se, embora com uma margem de erro de cerca de 200 anos, em média, o período em que esta árvore viveu. Os anéis encontrados nas árvores (ver figura) também são pistas sobre a idade e o clima em que esta árvore viveu. A largura destes anéis variam de acordo com o clima de uma forma geral, a espécie, a idade da árvore e a quantidade de água e alimento disponível naquele solo.
III- Sedimentos e Rochas
A análise de sedimentos permite verificar características do solo em uma determinada Era. Esta possibilita o estudo das características da vegetação, da vida existente (ou a ausência de) e temperatura através do tipo de rocha. Existem, basicamente, 3 tipos de rochas. As Magmáticas, que são formadas pela condensação do magma, indicam a existência de vulcões na vizinhança. As Sedimentares são formadas pelo acúmulo de sedimentos e indicam uma região de falha. Indicam, também, que esta é uma região de formação antiga, que sofreu diversas alterações no clima. As Metamórficas são formadas por alterações na composição das duas anteriores devido a variações de pressão e/ou temperatura em eventos extremos, podendo indicar períodos quentes ou frios. Também são indicadoras de atividade erosiva, pois a erosão também forma rochas Metamórficas, sem necessariamente variar temperatura ou pressão local. As rochas formam camadas também, sendo que estas camadas demoram de milhares a milhões de anos para se sobreporem, formando, assim, uma fonte de dados de períodos muito distantes, já que as rochas sedimentadas se preservam ao longo do tempo.
IV- Corais
A análise de recifes de corais permite avaliar as alterações nos oceanos. De acordo com as características dos corais permite-se avaliar temperatura da água, bem como sua evolução, pois os corais têm indicadores naturais, como a perda de sua coloração natural.
V- Datação radiométrica
Os átomos, com exceção do Hidrogênio, possuem prótons e nêutrons (o Hidrogênio mais comum possui apenas um próton, e é conhecido pelo nome de prótio). Os prótons existentes no núcleo repelem-se, porém os nêutrons não permitem que os prótons se separem, exercendo uma força sobre eles. Contudo, quando o número de prótons é grande, os nêutrons não conseguem mais evitar a repulsão entre eles, tornando o átomo instável.
Esta instabilidade expulsa partículas do núcleo e é chamado de decaimento. Elementos com mais de 83 prótons ou com uma quantidade elevada de nêutrons sofrem decaimento. Esta “desintegração” é constante e só cessa quando o átomo se estabiliza, o que pode demorar, desde de segundos a milhões de anos, podendo ser medidos através de aparelhos como o espectroscópio de massa e detectores de radiação. Os elementos radioativos mais usados para datação são:
1. Urânio-238: É usado para a datação de matérias inorgânicas. O Urânio-238 desintegra-se à Chumbo-206. Com isto, basta medir a relação Chumbo/Urânio, sabendo que demora 4,5x109 anos para esta relação ser igual à 1 (meia-vida, tempo que leva para que metade dos átomos radioativos sofrerem decaimento, do Urânio), para determinar a idade do objeto em questão.
2. Carbono-14: É usado para a datação de substâncias orgânicas. O Carbono-14 é formado na atmosfera devido à radiação que vem do universo e é absorvido pelas plantas na absorção de CO2. Assume-se, então, que a relação de Carbono-14 para Carbono-12 (estável) mantém-se a mesma enquanto o espécime está vivo. Após a morte do organismo, o Carbono-14 desintegra-se à Nitrogênio-14 (estável). Com isto, basta medir a relação Carbono-14/Carbono-12 e saber que a meia-vida da espécie instável em questão é de cerca de 5600 anos, para saber a idade do item analisado.
5. Linha do Tempo
A História da Terra normalmente é dividida pela escala de tempo geológica. Uma outra classificação utilizada em Paleoclimatologia é a Classificação de Blytt-Sernander. A classificação Geológica é baseada em eventos de importância geológicos (surgimento de determinadas formações de relevo, surgimento de determinado tipo de rocha, etc.) e paleontológicos (extinções em massa, surgimento de novas espécies e etc.).
A Classificação de Blytt Sernander foi elaborada pelos botânicos dinamarqueses Axel Blytt e Ruttger Sernander. É baseada no acúmulo de matéria sedimentar em plantas. Utilizando datação radiométrica (com Carbono 14), determinou-se a divisão dos eventos na Terra. Esta classificação foi confirmada cientificamente com os estudos das “Zonas de Pólen”, que são uma forma de datação utilizando resíduos de pólen de diferentes espécies vegetais, principalmente do final do Pleistoceno e início do Holoceno. Estes estudos foram conduzidos pelo biólogo sueco Lenhart von Post, que analisou diferentes espécies de plantas destes períodos e concluiu que de acordo com a diversidade das espécies, a distribuição destas e as características de cada uma, implicam na existência de um tipo de clima característico. O estudo de von Post foi capaz de ratificar a divisão de Blytt-Sernander, que mostrava variações entre períodos quentes e frios, alternadamente.
6. História da Atmosfera
1- Como tudo começou O ar da Terra primitiva continha Hidrogênio, vapor d’água, Metano e Amônia, e havia grande ocorrência de tempestades com descargas elétricas, devido a erupções vulcânicas, com grande incidência de raios ultravioleta vinda do Sol. Com o surgimento de formas de vida, o ar foi se modificando. A partir do surgimento dos organismos autótrofos fotossintetizantes, esta composição atmosférica passou a contar com Oxigênio e foi decisiva para o surgimento de novas formas de vida.
2- Clima Pré Cambriano É um dos períodos mais remotos do nosso planeta. Existem poucas evidências desta época para um estudo aprofundado sobre o assunto. Existem 3 tipos de átomos de Carbono (Carbono 12, Carbono 13 e Carbono-14). Naquela época, os organismos aquáticos existentes (algas unicelulares fotossintetizantes e bactérias) utilizavam o Carbono 12 para o processo de fotossíntese, sendo o carbono 13, mais pesado, mortal para esses seres vivos. Houve variações bruscas na concentração de Carbono 13, e isso causou uma mortandade de grandes proporções nos oceanos primitivos (“Oceanos Mortos”). Sem os organismos fotossintetizantes para liberar Gás Carbônico na atmosfera, não houve efeito estufa, e, por conseguinte, a temperatura média do planeta foi caindo vertiginosamente até chegar ao que se conhece por “Planeta Bola de Neve” ou Snowball Earth .
7- As Eras do Gelo
As Eras do Gelo são períodos cíclicos que são caracterizados por uma queda acentuada na temperatura média do planeta. Este abaixamento da temperatura permite a expansão das geleiras até latitudes mais baixas. Tais períodos ocorrem em intervalos de aproximadamente 40 a 100 mil anos. É sabido que variações na quantidade de energia solar ocorrem ao longo do tempo causam perturbações no clima terrestre, podendo gerar uma “Era do Gelo”, ou não. Além disto, os “Ciclos de Milankovich”, a composição atmosférica daquele período, os movimentos tectônicos, que alteram a distribuição espacial dos continentes e dos oceanos, o que afeta a circulação atmosférica e a quantidade de calor absorvido pelo planeta, alterações na órbita do sistema Terra-Lua, impacto de meteoros e erupções vulcânicas são as principais causas das eras do gelo. Evidências sobre a existência de tais eras vêm em forma de rochas e os detritos (Morenas, que são sedimentos especificamente originados devido ao derretimento de geleiras) em locais que atualmente não possuem gelo. Análise de sedimentos depositados em geleiras e em oceanos também são evidências fortes.
8- Snowball Earth (“O Planeta Bola de Neve”)
Foi uma Era do gelo de grandes proporções, ocorrida no período entre 750 e 580 milhões de anos atrás, em que até os oceanos congelaram completamente! É importante ressaltar que ainda assim havia vida nesta época. Alguns organismos anaeróbicos conseguiram sobreviver. Além de alguns organismos em regiões profundas no oceano. Abaixo da camada de gelo, utilizando energia geotérmica, seres denominados Quimiolitotróficos utilizavam minerais como fonte de energia para realizar seu metabolismo. Outra evidência forte é a concentração de Oxigênio daquele período. Atualmente a concentração deste gás é cerca de 20 vezes menor do que na época da “Snowball Earth”, isto porque a combinação do Oxigênio com o Carbono forma gás carbônico, visto que este gás não era tão comum nessa época, já que o carbono abundante era um isótopo mais pesado (13 C) incapaz de formar o gás carbônico.
9- Extinção em Massa notável: Permiano-Triássico
Este foi o evento de extinção mais notável para a vida marinha que foi datado até hoje. Ocorrido aproximadamente há 251 milhões de anos, foi o evento que marcou, na escala de divisão do tempo Geológica, o fim do período Permiano e o início do Triássico. As evidências apontam que num espaço de 300 mil anos, houve séries de mortandade de seres vivos nos mais diversos habitat, o que mostra que não foi um acontecimento localizado, mas, sim, um evento de escala global. Foi descoberto, recentemente, na Antarctica uma cratera com 480 km de diâmetro, com datação deste período. Paleontólogos acreditam que um meteoro que colidiu com a Terra pode ser uma causa para este evento. Além disso, a análise da concentração de elementos presentes no meteoro achado na Antarctica com os de animais pertencentes àquela época, foi constatado que havia grandes concentrações de isótopos raros de Carbono, Irídio (raríssimo na crosta terrestre) e Boro nestes fósseis.
10- Período Climático notável- Período Atlântico de Blytt Sernander
O Período Atlântico, pela classificação de Blytt Sernander (Holoceno pela classificação geológica), foi um período de extremo aquecimento na Terra. Foi descoberto que no Inverno, a temperatura no pólo Norte pode ter atingido 9º C! A explicação para isso é baseada na inclinação recorde do eixo da Terra (24º) e na proximidade maior do planeta com o sol. Foi o período em que o planeta recebeu uma quantidade maior de radiação solar do que a média do restante do período, principalmente no Hemisfério Norte. Foi também um período de maior atividade da Zona de Convergência Intertropical (ITCZ) devido à maior quantidade de radiação, conseqüentemente, maior quantidade de calor. Isto alterou significativamente o regime de circulação planetária, causando o que ficou conhecido como “A África Úmida”, uma alteração no regime de monções na África que causou um aumento muito grande na precipitação neste continente.
11- A “Younger Dryas”
Dos eventos datados por Blytt e Sernander, este foi um caso peculiar, onde o clima na Terra se resfriou, principalmente no Hemisfério Norte. Foi um rápido retorno à Era glacial após a Oscilação de Allerød, onde houve ligeira deglaciação. Evidências sugerem que a temperatura média nesta época chegou a -5 ºC. A causa mais provável foi um evento de alteração na circulação oceânica no Atlântico Norte, que causou um quase cessamento da circulação termohalina (que ocorre de acordo com a densidade do fluido). Isso cessou as trocas de calor entre o oceano e o continente, o que causou um desequilíbrio no balanço térmico da região. Este nome vem de vestígios da espécie vegetal Dryas octapætala típica de climas frios, que foi achada em sedimentos datados daquela época.
12- Paleoceno-Eoceno (Evento de Extinção em massa)
Outro evento de extinção em massa ocorreu na intersecção entre os períodos Paleoceno e Eoceno. Foi um período extremamente quente devido ao excesso de gás Metano, um gás que é formado em cristais de gelo que se formam no fundo dos oceanos, derivado do Carbono-12, enquanto a terra se aquecia em um período interglacial. Este gás é um dos “gases estufa”, sendo que seu “poder de estufa” é 23 vezes maior que o do Gás Carbônico. Diversas espécies marinhas morreram devido ao aumento da temperatura da água do mar, bem como ao aumento da salinidade, devido à reação deste gás com componentes presentes na água do mar. As evidências mais concretas são a grande concentração de Carbono 12 nas amostras de animais, vegetais e minerais fossilizados da época.
13- Eventos Notáveis- Anos 535 e 536 e “O Ano sem verão” 1816
“As trevas tomaram conta dos céus. O Sol não nos contemplava com sua beleza vital! Parecia que estava constantemente em um eclipse! Seus raios estavam corrompidos!”
Procópio, nobre e historiador Bizantino, ano 536
A frase de Procópio ilustra bem o que ocorreu naqueles anos: =>Baixas temperaturas, até mesmo neve durante o verão. =>Nuvens muito escuras, poucas horas de insolação. =>Relatos de escuridão em horários próximos ao meio dia. =>Enchentes em locais que eram predominantemente secos.
Tais mudanças ocorreram por causa do choque de um meteorito com a Terra e por causa de uma erupção vulcânica ocorridas naquele ano de 535. As partículas lançadas no ar, tanto pelo meteorito, quanto pelo vulcão, causaram um bloqueio para a radiação solar incidente, que ficou presa na alta atmosfera e foi refletida de volta para o espaço. Um evento similar ocorreu em 1816 quando 3 vulcões (um na Indonésia, um em St. Vincent, Caribe, e outro nas Filipinas) entraram em erupção num espaço de tempo menor que 3 anos. Relatos de racionamento de alimentos, destruição de colheitas e uma crise econômica gerada pelo “ano sem verão” foram feitos nas mais diversas partes do mundo. Um efeito curioso foi que neste ano, devido ao racionamento de comida e ao nível alto de poluição no ar, o alemão Karl Dreis teve a idéia de inventar um meio de transporte que não usasse cavalos como força motriz. Daí, a necessidade sendo a mãe das invenções, ele inventou o Dreisine (ou velocípede), que foi a base das modernas motocicletas e bicicletas.
14-Eventos Notáveis: O Colapso do Império Mesopotamio (aproximadamente 2000 a.C.)
O Império Mesopotamio foi um dos mais prósperos durante os anos de 3000 a.C. e 1500 a.C. sob o governo da dinastia Akkad. Durante o governo de Sargon de Akkad, por volta de 1130 a.C. começou o declínio deste império, graças ao clima. Os Mesopotamios foram os primeiros a desenvolver uma agricultura de irrigação, por viverem em um ambiente árido (atualmente o Oriente Médio). Os rios Tigre e Euphrates são alimentados pelo regime de ventos e mantinham um certo nível ótimo para a irrigação. Porém, conforme os anos passavam, o nível dos rios foi diminuindo, causando perdas nas colheitas e uma migração em massa da população para regiões mais ao sul, o que levou ao fim do império. Evidências geológicas e medições com instrumentação moderna apontam que o nível destes rios diminui em mais de 50% quando as águas do Nordeste do Oceano Atlântico encontram-se mais frias, alterando o padrão de circulação local. E foi o que de fato ocorreu naquela época.
15-Evento Notável: A Pequena Idade do Gelo
Durante os séculos XIII a XVIII houve um evento curioso nas latitudes médias. A temperatura média do planeta chegou a 1º C neste período. Um enfraquecimento na atividade solar e um aumento da atividade vulcânica foram as causas apontadas para este fenômeno. Ciclos de fraca atividade solar durante este período foram notados por diversos observadores. Para se ter uma idéia, durante o período de 1645 à 1715, o Sol só apareceu 50 vezes, enquanto o normal seria de 40 a 50 mil para aquelas latitudes.
16-Evento Notável: Período Quente Medieval
No período do século X ao XIV foi um período atipicamente quente para a Europa. Este aumento na temperatura foi o resultado de uma mudança na circulação local devido à alteração na salinidade do oceano Atlântico Norte. Este período foi confirmado através de observações geológicas na Islândia que comprovaram que neste período não havia gelo. Além disso, os Vikings tiraram proveito deste período em que os mares nórdicos não congelaram e conquistaram várias terras na região.
17- Causas das mudanças climáticas
I- Ciclos de Milankovich
O físico e matemático sérvio Milutin Milankovich observou que o movimento de precessão, a inclinação do eixo terrestre e a excentricidade da órbita terrestre variam ciclicamente ao longo do tempo. Estas variações explicam alguns dos eventos climáticos, como foi mostrado, pois provoca uma mudança na quantidade de radiação recebida por um determinado Hemisfério no verão e no inverno.
II- Ciclos de Atividade Solar
O Sol passa por variações em sua atividade, ou seja, em suas emissões de radiação. Estes ciclos ocorrem em aproximadamente 11 anos e podem assumir valores máximos ou mínimos, causando várias alterações no clima.
III- Glaciação
É uma queda acentuada na temperatura média do planeta. Os períodos de glaciação são conhecidos como Eras do Gelo.
IV- Paleomagnetismo
O paleomagnetismo é o estudo das variações do campo magnético da Terra ao longo dos anos. Os eventos de variação magnética ocorrem em ciclos não regulares, podendo sua intensidade variar desde efeitos apenas mensuráveis à inversões na orientação do campo. As inversões magnéticas ocorrem devido à “resposta” do núcleo da Terra (condutor, formado de Ferro e Níquel) ao efeito magnético das emissões solares (de alta energia). Esta “resposta” tenta reproduzir o campo gerado pela radiação solar e apresenta diversas irregularidades. Durante os eventos de inversão, podem ocorrer mudanças climáticas acentuadas devido à variação da localização dos Pólos, que é por onde grande parte das emissões solares penetram. Estas mudanças, normalmente, são devido ao aquecimento diferenciado das regiões que estão sob o efeito das emissões.
V-Aquecimento Global
O aquecimento global é o processo em que ocorre aumento significativo na temperatura. Este aumento causa desde tempestades mais severas e freqüentes à tufões e furacões altamente destrutivos. Atualmente, tem se notado um aumento na temperatura média do planeta de cerca de 0,7º C nos últimos 140 anos. Este aquecimento é causado, principalmente pelo efeito estufa, que vem sendo, cada vez mais, causado por atividades humanas, e pelo buraco na camada de Ozônio.
VI- Colisão de meteoros e Erupções Vulcânicas
Os meteoros são rochas compostas de minerais e gelo que orbitam a nossa galáxia. Estas rochas, quando atraídas pelo campo gravitacional da Terra podem entrar na atmosfera. Uma grande parte destas pedras é destruída graças à própria atmosfera, já que o atrito com esta gera um aquecimento próximo a 5000 ºC e desintegra as rochas. Porém algumas rochas maiores conseguem atingir a superfície e o impacto é tão violento que uma nuvem de metais e poeira se forma na atmosfera, impedindo a entrada de radiação solar. De forma análoga, os vulcões, que se formam nas zonas de falhas das placas tectônicas, lançam magma (metais fundidos da Astenosfera) e junto, poeira, cinzas e partículas densas de fuligem na atmosfera, também ocasionando o bloqueio dos raios solares.
18. Aplicações
A Paleoclimatologia é uma ciência fundamental para o estudo do clima presente e para a elaboração de previsões futuras já que seus estudos permitem avaliar o clima de uma forma cíclica (em alguns casos), permitindo assim verificar quais efeitos são de um período natural do clima e o que foi causado pelo homem e a entender melhor estas mudanças. Além disso, a Paleoclimatologia tem uma aplicação no ramo da Paleontologia, pois seus estudos aplicados a fósseis animais e vegetais ajudam a determinar as características destes animais (hábitos, alimentação, etc.), além do estudo de civilizações antigas.
