11 de setembro de 2018

A Terra pulsante - Parte IV: Outros ciclos da natureza

Por Marco Gonzalez


O Sol, um dos principais agentes do pulsar da Terra, em seu ciclo solar 20 com uma das maiores erupções solares já registradas (Foto NASA de 19/12/1973)

Na lista de ciclos da natureza podem ser considerados o ciclo geológico e outros que extrapolam o nosso planeta. 

O ciclo geológico, em sentido restrito, é um sinônimo para o ciclo das rochas, mas, em sentido mais amplo, inclui as interações complexas dos materiais que constituem a Terra, além dos ciclos tectônico e das rochas. São processos que se influenciam mutuamente, como os ciclos biogeoquímicos, ou seja, os ciclos químicos afetados pela atividade biológica.

Esses ciclos biogeoquímicos descrevem os caminhos por onde os elementos químicos se movem na Terra através dos compartimentos bióticos (da biosfera) e abióticos (da atmosfera, hidrosfera e litosfera).

Além desses, os ciclos naturais estão ao nosso redor através de eventos como marés, glaciações e manchas solares. Podemos identificar ciclos em diferentes escalas no tempo (desde os que se estendem por eras até os que se repetem a cada poucos segundos) e no espaço (desde o interior da Terra até bem fora dela).


O ciclo da água

Das reservas de água na Terra, 97,5% é salgada. Da água restante, mais de 99% é subterrânea ou gelo. Menos de 1% está presente em lagos e rios. 

A água da Terra está sempre em movimento e mudando de estado entre líquido, gasoso e sólido. O ciclo da água, ou ciclo hidrológico, descreve seus movimentos e as alterações de estado, acima e abaixo da superfície da Terra. Em média, a água da atmosfera é renovada a cada 16 dias, a do solo a cada ano. A água das áreas úmidas é substituída a cada 5 anos e a dos lagos a cada 17 anos. E a água subterrânea é renovada, em média a cada 1.400 anos. 


Principais processos do ciclo da água

O ciclo da água se viabiliza através da energia do Sol, que aquece os oceanos e outros corpos de águas superficiais, além do gelo, e os transforma em vapor. Estão incluídos no ciclo da água os seguintes processos:
  • Evaporação: diversos fatores, como temperatura do ar, pressão de vapor, vento e pressão atmosférica, afetam a quantidade de evaporação natural que leva a água para a atmosfera. No caso da água em forma de gelo, o processo se chama sublimação.
  • Condensação: é causada pelo resfriamento do ar ou pelo aumento da quantidade de vapor no ar até o ponto de saturação. 
  • Precipitação: acontece quando as gotas de água atingem um tamanho crítico ao formarem cristais de gelo que caem arrastando gotas próximas. Como chuva ou como neve, a precipitação chega à superfície da Terra, alcançando solo e plantas.
  • Escoamento: pode ser superficial, através de canais na superfície formando bacias hidrográficas (ou de captação) ou acontecer em águas subterrâneas. escoamento superficial é uma das principais formas pelas quais minerais e elementos, como carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre, são recicladoságua subterrânea flui sob a influência de pressão e gravidade e, eventualmente, é descarregada na superfície através de nascentes ou por infiltração em córregos, rios, lagos ou zonas úmidas.
  • Infiltração no solo: é governada pelas condições do solo, como porosidade e permeabilidade, e pela quantidade de água na superfície. Neste caminho a água pode ser absorvida pelas raízes das plantas.
  • Percolação: consiste no movimento da água através do solo, pela gravidade e por forças capilares. As rochas podem servir como reservatórios subterrâneos naturais (aquíferos) para armazenamento de água. Toda a água subterrânea está em movimento ainda que lentamente.
  • Transpiração: é o processo biológico que acontece quando a água do interior das plantas é transferida para a atmosfera como vapor de água, com dois objetivos: movimentar os nutrientes para a parte superior das plantas e resfriar as folhas expostas ao sol. A vegetação geralmente retarda a evaporação do solo.
O ciclo da água impulsiona os outros ciclos biogeoquímicos.

O ciclo do ferro

Acredita-se que o ferro constitua 88,8% da massa do núcleo do nosso planeta. Porém, ele é também bastante abundante na crosta, sendo encontrado como óxido em rochas. O ferro é o quarto elemento mais abundante na crosta terrestre e compõe mais de 30% da massa da Terra estando onipresente na atmosfera, na biosfera, na litosfera e na hidrosfera.

No início da formação da Terra, o ferro correspondia a aproximadamente um terço dos constituintes dela e, por ter densidade maior que a dos outros elementos, formou, juntamente com o níquel, o núcleo do planeta. 

A história da geobiologia do ferro reflete a co-evolução da vida e de seu ambiente no nosso planeta. Seu papel central na biologia moderna é provavelmente um legado da Terra primitiva, quando a atmosfera arqueana era essencialmente desprovida de oxigênio e os oceanos anóxicos continham abundante ferro bio-disponível. Minerais de sulfeto de ferro podem ter fornecido energia para os primeiros organismos terrestres. Formações ferríferas bandadas documentam a evolução da fotossíntese oxigenada. 

O ferro continua a desempenhar um papel proeminente como micronutriente e em reações de oxirredução mediadas por micro-organismos, provavelmente facilitadas pelo desenvolvimento de sideróforos (compostos orgânicos que atuam na captação de ferro por organismos como bactérias).


Principais processos do ciclo do ferro

Os seguintes processos estão incluídos no ciclo do ferro:
  • Intemperismo químico e biológico: minerais que contêm ferro são destruídos, liberando-o em solução aquosa. 
  • Transporte e distribuição: podem ser gerados complexos dissolvidos, coloides ou fases minerais pouco solúveis. Com sulfetos dissolvidos, podem ser produzidos sulfetos de ferro (pirita) insolúveis. 
  • Movimento de partículas de poeira: longe da costa, acredita-se serem a principal fonte de ferro para os oceanos. 
  • Derretimento de geleiras e icebergs: em regiões glaciais, o fluxo de ferro bio-disponível fornecido pode ser semelhante ao do fluxo eólico. 
  • Emissões de sistemas hidrotermais: no fundo do mar, podem constituir outra fonte de ferro. 
  • Fluxo de fluídos de poros de rochas sedimentares: fonte ainda pouco quantificada de ferro ferroso nas margens continentais. O ferro pode chegar às plataformas continentais ou migrar para bacias profundas e ser imobilizado como pirita. 
  • Transporte como cinzas vulcânicas: esse material pode chegar ao oceano onde partículas grosseiras afundam e as demais viajam mais longe aumentando a quantidade de ferro bio-disponível.
  • Redução: óxidos de Fe3+, como hematita e magnetita, e argilas ricas em Fe, como esmectita, podem ser reduzidos por micro-organismos.
Ao longo do tempo geológico, o ciclo biogeoquímico do ferro tem controlado os principais ciclos de nutrientes, como o ciclo do carbono. 

O ciclo do carbono

O carbono pode ser armazenado por longo tempo na atmosfera, em corpos de água, em sedimentos oceânicos, no solo, nas rochas, em fósseis e no interior da Terra. No ar, existe em grande parte como dióxido de carbono, que se dissolve na água podendo produzir bicarbonato. O nível de dióxido de carbono na atmosfera é influenciado pelo reservatório de carbono nos oceanos e vice-versa. 

Grande parte do dióxido de carbono globalmente liberado foi armazenado no manto quando a Terra se formou. Rochas carbonáticas atualmente constituem importante reservatório de carbono.

ciclo do carbono compreende dois circuítos interconectados: 
  • Circuíto biológico. É rápido e constituído pela série de trocas de carbono entre organismos vivos. 
  • Circuíto biogeoquímico. É lento e realizado por processos geológicos que só se completam em milhões de anos. 
Principais processos do ciclo do carbono

Os processos do ciclo do carbono são os seguintes:
  • Fotossíntese: plantas, algas e bactérias utilizam energia da luz solar para combinar o dióxido de carbono a partir da atmosfera com água para formar hidratos de carbono, que armazenam energia. O oxigênio é um subproduto liberado na atmosfera.
  • Respiração: consumidores como animais, fungos e bactérias obtêm assim sua energia do excesso de biomassa. O oxigênio da atmosfera é combinado com carboidratos para liberar a energia armazenada. Água e dióxido de carbono são subprodutos. Ao longo do tempo geológico, houve mais oxigênio liberado na atmosfera e dióxido de carbono removido pela fotossíntese do que o inverso.
  • Intemperismo: dióxido de carbono e outros gases atmosféricos dissolvem-se nas águas superficiais.
  • Infiltração no solo e decomposição: o carbono pode ser armazenado no solo como carbono orgânico, resultado da decomposição de organismos vivos ou do intemperismo de rochas e minerais terrestres. 
  • Sedimentação: águas superficiais podem levar dióxido de carbono dissolvido e, após, formar compostos como o carbonato de cálcio, um dos principais componentes das conchas de organismos marinhos. Estes organismos são a origem da formação do calcário, onde o carbono pode ser mantido longe do ciclo por um longo tempo.
  • Fossilização: o carbono pode se localizar mais profundamente em combustíveis fósseis, como carvão e petróleo, que são também reservatórios de carbono.
  • Metamorfismo: sedimentos do fundo do oceano com carbono são capturados nas profundezas da Terra por subducção
  • Ascensão: em zonas de subducção, após o metamorfismo especialmente de carbonatos, há alimentação dos processos vulcânicos.
  • Erupção: o carbono pode ser liberado como dióxido de carbono nas erupções vulcânicas ou através de fontes hidrotermais. equilíbrio entre o intemperismo, a subducção de placas tectônicas e o vulcanismo tem controlado as concentrações atmosféricas de dióxido de carbono ao longo dos períodos geológicos.
  • Queima de combustíveis fósseis: além da atividade vulcânica, mais recentemente, a queima de combustíveis fósseis traz o carbono de volta ao ciclo.
A energia do Sol é o agente crucial na conservação e reciclagem dos nutrientes dos seres vivos na Terra. Neles, associados às moléculas orgânicas, há quatro elementos principais, além do carbono: oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e fósforo, numa grande variedade de formas. 

Outros ciclos biogeoquímicos importantes

Esses elementos (carbono, oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e fósforo) constituem os blocos de construção de todas as principais macromoléculas biológicas, incluindo proteínas, ácidos nucleicos, lipídios e carboidratos.

Esses cinco elementos estão dispersos na atmosfera, no solo, na água e nas rochas e, além de serem afetados pela energia do sol, sofrem a ação de processos geológicos, como intemperismo, erosão, drenagem de água e subducção de placas tectônicas. Este fluxo de energia e nutrientes é a base dos ciclos biogeoquímicos.


Fluxo de energia e nutrientes (fonte adaptada)

O ciclo do oxigênio

No início da evolução da Terra, acredita-se que o oxigênio tenha sido liberado de vapor de água pela radiação UV e se acumulado na atmosfera, onde atualmente ocorre livremente (constituindo aproximadamente 21% dela). Também é encontrado preso à crosta terrestre em compostos químicos (incluído em carbono orgânico, o oxigênio fica armazenado em sedimentos) ou dissolvido na água. No corpo humano é o elemento mais comum. 

Interconectado ao ciclo do carbono, o ciclo do oxigênio inclui processos como fotossíntese, respiração, fotólise, oxidação (ferrugem) e combustão. O oxigênio, sob a forma de ozônio, protege a vida na Terra filtrando os raios UV do Sol.

O ciclo do hidrogênio

O ciclo do hidrogênio nos ecossistemas ainda é pouco compreendido, mas se sabe que seus principais componentes (queima de biomassa, temperatura do solo, umidade do solo e cobertura de neve) são fortemente afetados pelo clima. 

O hidrogênio é um elemento altamente reativo, porém a decomposição do metano tem grande importância em seu ciclo. 


Interconexão entre os ciclos de carbono, hidrogênio e oxigênio no metabolismo de plantas que realizam fotossíntese (fonte - traduzida)

O hidrogênio é um elemento muito importante na geosfera por diversas razões: 
  • ele domina o comportamento de fusão e a reologia das rochas do manto; 
  • é o principal solvente para o metassomatismo na crosta e no manto; 
  • sua concentração em minerais de silicato controla as taxas de difusão de outros elementos e 
  • sua abundância em silicatos fundidos influencia fortemente a diferenciação de cristalização.  
O ciclo do nitrogênio

nitrogênio é importante por constituir as proteínas e os ácidos nucleicos. Cerca de 78% da atmosfera é composta por ele na forma do gás azoto. O ciclo do nitrogênio é dividido em quatro etapas: fixação ou assimilação, amonificação, nitrificação e desnitrificação.

O nitrogênio na Terra circula também nos oceanos, no solo, na crosta e no manto do planeta. Pequena quantidade de nitrogênio pode vazar do sistema biosfera-oceano e ser enterrada em sedimentos, como nitrogênio orgânico ou como amônio remineralizado incorporado em argilas durante a diagênese. As rochas com nitrogênio aos sofrerem metamorfismo, podem liberar uma fração significativa do nitrogênio à atmosfera. Através de convulsões tectônicas, intemperismo físico e químico e outros processos, os compostos nitrogenados, assim como outros nutrientes, podem se mover para o solo.

liberação do nitrogênio no meio ambiente pode ocorrer também pela queima de combustíveis fósseis e pelo uso de fertilizantes artificiais na agricultura. O nitrogênio atmosférico está associado a vários efeitos nos ecossistemas da Terra, incluindo a produção de chuva ácida e efeitos de gases de efeito estufa. 

O ciclo do fósforo

O fósforo é um nutriente essencial para organismos vivos e é frequentemente necessário em ecossistemas aquáticos, particularmente de água doce. 

Intemperismo e atividade vulcânica liberam fosfato no ar, na água e no solo, onde se torna disponível para as redes alimentares terrestres. O fosfato entra nos oceanos através do escoamento superficial, do fluxo de água subterrânea e do fluxo dos rios. Parte do fosfato que chega aos oceanos é incorporado na formação de sedimentos.

Além dos ciclos biogeoquímicos, outros são também notáveis.


O ciclo das glaciações

As Glaciações também são cíclicas aparentemente com uma periodicidade de cerca de 100.000 anos, pelo menos nos últimos dois milhões de anos. A última glaciação começou há cerca de 110.000 anos e as camadas de gelo começaram a recuar há aproximadamente 18.000 anos. Essa ciclicidade pode ser comprovada principalmente pelos dados de temperatura do núcleo do gelo da Antártida.

O ciclo das super-marés

Acredita-se que as contínuas alterações na configuração dos continentes, associadas aos ciclos dos supercontinentes, criam um ciclo de super-marés. Na verdade, deve existir mais de um ciclo de super-marés na formação de cada supercontinente, já que estão envolvidos nesta formação vários Ciclos de Wilson, com bacias se abrindo e se fechando em cada um deles.

As alterações nas bacias oceânicas provavelmente têm um grande impacto nas marés ao longo de milhões de anos. Sabe-se que as marés se movem pelos oceanos como ondas com mais de 1.000 km entre seus dois picos. Esse movimento é amplamente controlado pela forma da bacia oceânica, pela sua profundidade e pelo tamanho do oceano. Se o comprimento de uma bacia for igual à metade do comprimento da onda, causa o fenômeno da "ressonância" e as marés podem se tornar muito grandes. Estima-se que atualmente estamos no início de um “máximo de maré” que, após, diminuirá de intensidade a medida que o próximo supercontinente se forma.

Nesta análise de ciclos, além de ser necessário ter uma visão do tempo em escala geológica, é útil ter uma visão espacial, em escala orbital por exemplo, ou até mesmo extrapolar os limites da Terra.

Os ciclos orbitais da Terra

O geofísico e astrônomo sérvio Milutin Milankovitch formulou a hipótese de que variações na órbita da Terra, através dos ciclos da excentricidade, da obliquidade e da precessão, são as principais responsáveis pelos padrões climáticos globais, impactando inclusive o avanço e recuo das geleiras.  Milankovitch formulou matematicamente esses três ciclos, mas a precessão já era conhecida pelo astrônomo grego Hiparco aproximadamente em 200 aC e os antigos astrônomos chineses e indianos também já conheciam bem as oscilações astronômicas da Terra.

Aliás, Milankovitch (1879-1958) foi contemporâneo do geofísico e meteorologista alemão Alfred Wegener (1880-1930), que apresentou em 1912 a teoria da deriva continental, mas foi apenas uma coincidência.


Ciclos de Milankovitch (fonte adaptada e traduzida)

O ciclo da excentricidade (com periodicidade de 100.000 anos) corresponde à variação da forma da órbita da Terra de quase circular (baixa excentricidade) a quase elíptica (alta excentricidade). É causado por uma combinação de fatores, mas principalmente pela interação com os campos gravitacionais de Júpiter e Saturno. Determina a quantidade de radiação solar recebida devido a mudanças na distância da Terra ao Sol, desde o periélio (a distância mais curta, com radiação solar cerca de 23% maior) até o afélio (a maior distância).

O ciclo da obliquidade (com periodicidade de 41.000 anos) determina o ângulo (de 22,1° a 24,5°) do eixo da Terra em relação à sua órbita. Na maior inclinação, as regiões próximas aos polos recebem maior insolação e há maior variação entre a menor insolação no inverno e a maior no verão. 

O ciclo da precessão (com periodicidade de 23.000 anos) pode ser entendido através da analogia com o giro de um pião.  Refere-se à direção do eixo de rotação da Terra, que é afetada pelas forças de maré exercidas pela Lua e pelo Sol. Seus impactos são mais sentidos no periélio. Quando o Pólo Norte é direcionado para o Sol, o hemisfério norte experimenta um inverno mais frio e o hemisfério sul, estações mais amenas. Quando o Pólo Sul é direcionado ao Sol, experimenta as maiores variações sazonais.

Fatores adicionais que perturbam a periodicidade destes ciclos são:

  • o vulcanismo, com adição de poeira e aerossóis na atmosfera superior;
  • mudanças nas correntes oceânicas e 
  • a atividade humana, com o balanço de gases como o dióxido de carbono e o metano no ciclo do carbono. A influência deste último fator ainda é considerada polêmica por aqueles que argumentam que as perturbações fazem parte das tendências dos ciclos naturais.

Um outro ciclo de Milankovitch, além dos mais conhecidos e citados, prevê uma mudança periódica de 405.000 anos na forma da órbita da Terra causada por interações gravitacionais da Terra com Júpiter e Vênus. Este ciclo foi confirmado por datações em rochas triássicas do Petrified Forest National Park, nos EUA.

O ciclo lunar

A Lua gira em torno de si mais lentamente que a Terra. Ela leva 27,3 dias terrestres para completar sua rotação. Esta é a periodicidade do ciclo lunar, que compreende as diferentes fases da lua, vistas a partir da Terra. São elas:
  • Lua Nova: Lua entre a Terra e o Sol
  • Lua Crescente: Lua saindo da posição entre a Terra e o Sol
  • Lua Quarto-crescente: Lua crescente em um ângulo de 90º em relação à Terra e ao Sol
  • Lua Crescente Convexa: Terra entrando na posição entre a Lua e o Sol
  • Lua Cheia: Terra entre a Lua e o Sol
  • Lua Minguante Convexa: Terra saindo da posição entre a Lua e o Sol
  • Lua Quarto-minguante: Lua minguante em um ângulo de 90º em relação à Terra e ao Sol
  • Lua Minguante: Lua entrando na posição entre a Terra e o Sol
As nove fases da Lua (fonte)

A duração do dia terrestre é determinada pela velocidade com que a Terra gira em torno de si. Esta velocidade faz a duração do dia terrestre mudar cerca de um milissegundo ao longo de um ano. É uma variação tão pequena que só foi notada pela primeira vez por Edmond Halley em 1695.

Devido à esta variação da duração do dia terrestre, os ciclos lunares também alteram sua periodicidade:

  • Os mais longos ocorrem quando a Lua está se movendo mais devagar (perto do apogeu - o ponto na órbita elíptica da Lua mais distante da Terra) e a Terra está se movendo mais rápidamente (próximo do periélio).
  • Os ciclos lunares mais curtos ocorrem quando a Lua está se movendo mais rápidamente (próximo ao perigeu - o ponto na órbita elíptica da Lua mais próximo da Terra) e a Terra está se movendo mais lentamente (perto do afélio).

O ciclo solar

O ciclo solar tem uma periodicidade de 11 anos com a variação da quantidade das manchas solares atingindo um ponto máximo entre dois pontos mínimos. Esta atividade, medida em explosões solares com diferentes intensidades, afeta o clima da Terra e causa prejuízos na eletrônica, na aviação e nos sistemas de comunicações via satélite. Felizmente, os eventos mais extremos são menos frequentes.

As manchas solares são resultantes de fenômeno magnético. O material magnético dentro do sol está constantemente se esticando, torcendo e cruzando. A cada 11 anos os polos magnéticos do Sol se invertem. O astrônomo suíço Rudolf Wolf (1816-1893) reconstruiu a histórica da atividade solar até os tempos de Galileu e definiu o esquema numérico atualmente adotado onde o ciclo 1755-1766 é tradicionalmente numerado como 1.

Muitos cientistas acreditam que os mínimos solares (menor energia solar) prolongados acabam resfriando a Terra. O período de atividade extremamente baixa, com poucas manchas solares entre 1645 e 1715, conhecido como "Mínimo de Maunder", coincidiu com a "Pequena Idade do Gelo" na Terra, quando rios congelaram e latitudes mais baixas experimentaram campos de neve permanente. A correlação desses fenômenos do Sol e da Terra, entretanto, ainda não está devidamente comprovada.

O Universo pulsante

Numerosas culturas, dos antigos chineses aos maias, adotam a ideia do tempo como uma roda que gira, tendo os ciclos cósmicos uma longa tradição na filosofia e na religião. A cosmologia científica seguiu esse caminho e logo se descobriu que o Universo se expandia, cumprindo seu ciclo de criação e destruição. Um Big Crunch seria seguido por um novo Big Bang em eterno pulsar de contrações e expansões.  


Gravura de autor desconhecido, impressa no
livro "L'atmosphère: météorologie populaire",
de 1888, de Camille Flammarion, com a legenda
"Um missionário medieval conta que
encontrou o ponto onde o céu e a Terra
se encontram" (fonte).
Entretanto, mais tarde alguém lembrou que a segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia em um processo fechado não pode diminuir e o eterno pulsar passou a ser percebido mais apropriadamente como uma modulação decadente. Porém, há modelos que dão esperanças de vivermos em um Universo cíclico. Um deles é estabelecido pela teoria cíclica do Universo, uma alternativa radical ao cenário de Bigs Crunch-Bang. Em formulações mais recentes, este novo modelo cíclico se concretiza na teoria quântica de campos sem introduzir branas ou dimensões extras. A principal inovação comum a todos esses modelos é a fase ekpirótica...

Nesta fase ekpirótica, com ou sem branas, este é o momento ideal para finalizar esta série de textos da Terra pulsante antes de corrermos o risco, ciclicamente, de encontrar o ponto onde o céu e a Terra se encontram.

Artigos relacionados

A Terra pulsante - Parte I: O Ciclo de Wilson

A Terra pulsante - Parte II: Os ciclos dos supercontinentes

A Terra pulsante - Parte III: O ciclo das rochas

Um comentário:

Almiro Wilbert disse...

Há ciclisidade em tudo ... depende só da dimensão (espacial, temporal, ...) da observação e/ou análise!