Introdução: Aula de Abertura

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Por vários anos a Flinders University (Sul da Austrália) tem oferecido um curso de primeiro ano na disciplina "Ciências da Terra", que é dividida em duas partes. No primeiro semestre, essa disciplina versa sobre o papel do planeta Terra no Universo, aspectos de sua geologia, e também dá uma introdução à sua geofísica e hidrologia. No segundo semestre são vistos Meteorologia e Oceanografia.

Essas notas representam a porção sobre a oceanografia física. Existem ainda, duas aulas adicionais introdutórias e resumidas , que colocam tanto a oceanografia como a meteorologia no contexto das ciências exatas.

Objetivos gerais

Dar aos estudantes experiência prática em metodologia científica, incluindo experimentos de laboratório e de campo, com preparação de relatórios.
Auxiliar os alunos a desenvolver e compreender os processos e princípios unificadores que são fundamentais para o entendimento tanto da evolução como do comportamento do planeta Terra, com foco particular no relacionamento entre a atmosfera e o oceano.
Encorajar pensamento crítico e assessorar no desenvolvimento da habilidade de resolver problemas tanto qualitativos como quantitativos.
Assessorar no desenvolvimento de trabalhos em grupo e comunicação dentro de um ambiente técnico.

Objetivos e terminologia específica

Prover uma visão geral dos processos que determinam o estado da atmosfera e do oceano assim como sua dinâmica.
Descrever nosso ambiente planetário e os ciclos e processos que governam seu comportamento.
Descrever os processos e fenômenos que afetam diretamente a natureza e o comportamento da Terra "fluída", especificamente, a composição tanto da atmosfera como da água do mar, o balanço de forças que controla os ventos, as correntes oceânicas e as ondas nos dois ambientes, e seu papel no clima.
Descrever os processos naturais atmosféricos e oceanográficos que impactam o uso dos recursos Terrestres, incluindo industriais, comerciais e também usos recreacionais e de conservação.
Conduzir os alunos a compreenderem a importância do entendimento científico dos processos físicos na atmosfera e nos oceanos, e as forças por trás dos mesmos para a poluição ambiental e problemas de manejo ambiental.

O que vamos apender hoje?

O ambiente Terrestre é modificado pela presença da vida.
Compreender o ambiente significa compreender a relação entre a biosfera, geosfera, hidrosfera e atmosfera.
As ciências da Terra estudam os três componentes não vivos nesse sistema interativo.
Geosfera, hidrosfera e atmosfera são fluídos em movimento, e sua maior diferença é sua viscosidade.
Como fluídos em movimento, eles vão exibir algumas feições similares. Exemplos são convecção, vórtices, e transporte de energia através da propagação de ondas.

As ciências meteorologia and oceanografia estudam os resultados desses processos na atmosfera e nos oceanos.

Os componentes vivos e não-vivos do sistema Terra são modificados através da interação - até a estrutura de seus componentes não vivos são determinadas pela presença da vida.

Isso é mais marcante na atmosfera, sua composição é determinada pela presença da vida.

Nos anos 1960s o químico inglês James Lovelock estava engajado pela agência espacial americana NASA na procura por vida extra-terrestre, particularmente em Marte e Vênus. Ao reparar nas grandes diferenças entre a composição da atmosfera da Terra e desses dois planetas - e em particular o fato das atmosferas em Vênus e Marte estarem em equilíbrio estático e a da Terra em equilíbrio dinâmico, que sem a presença de vida se tornaria imediatamente uma atmosfera em equilíbrio estático - ele e um microbiologista americano chamado Lynn Margulis, desenvolveram o conceito ou hipótese de gaia. Nela eles apontaram para o fato de que a presença da vida tem tido conseqüências no planeta como um todo. O desenvolvimento das florestas, por exemplo, reduz consideravelmente o albedo (a reflectividade da superfície terrestre). Como resultado, a Terra tem uma temperatura de vários graus a mais que teria sem a presença de vida. A hipótese de Gaia diz que o planeta Terra é um organismo vivo e que os oceanos, massas terrestres, ar e distintas formas de vida são seus órgãos.

Quer aceitando a hipótese de gaia ou não, na sua formulação extrema, sem dúvidas estamos lidando com uma hipótese científica aqui, que pode se manter contra as várias tentativas de torná-la uma "religião da nova era". Permanece o fato de que a Terra, como é hoje, é determinada no seu estado físico (a distribuição da água e gelo, a composição da atmosfera, o intemperismo das rochas e muito mais) pela presença da vida.

A ciência moderna tem sido bastante feliz em explicar a Terra pela divisão em compartimentos que podem ser estudados separadamente. Ainda não estamos cientificamente bem equipados para estudar a Terra como um organismo complexo e único. Esta maneira "ocidental" de analisar e entender o planeta é também refletida na estrutura das línguas ocidentais, que compõe sentenças através de relações sujeito-objeto que sempre estabelecem uma hierarquia mestre-escravo. Uma sentença como : "O engenheiro melhora o ambiente" diz que existe um ambiente, de que o engenheiro não faz parte; ele é o mestre do ambiente. Outras culturas não dividem o planeta em compartimentos, e a suas línguas descrevem o mundo de uma maneira totalmente diferente. Existem vários exemplos de linguagens dos nativos americanos que não se utilizam do conceito sujeito e objeto, ou como os Australianos aborígenes dizem: "Nós somos a terra e a terra é nós." Eles expressam a visão que a divisão do mundo em compartimentos faz com que a visão de interações importantes entre as várias seja perdida."esferas."

Tenha em mente que a meteorologia e a oceanografia estudam apenas dois compartimentos de um sistema com vários outros componentes interativos vivos e não vivos e que estudar processos através da meteorologia e da oceanografia é apenas uma maneira de estudar o mundo. Todavia, o sucesso da ciência ocidental em explicar como o mundo físico funciona não deve ser menosprezado, e nós iremos seguir esses métodos.

Com esse requisito , vamos prosseguir no estudo dos processos físicos na natureza e observar três exemplos: convecção, vórtices e ondas.

Convecção

Um fluído pode estar estratificado, o que significa que a sua densidade vai variar. Para um fluído estar num estado estável, sua densidade tem de diminuir desde o fundo em direção ao topo.

A convecção ocorre quando esta condição de estabilidade não é satisfeita. A instabilidade se estabelece quando a densidade de um fluído é maior no topo que no fundo. A parte mais leve (menos densa) do fluído tende a subir, e a parte mais densa (ou pesada) tende a afundar, até que a estabilidade seja novamente alcançada. O movimento total resultante é chamado de convecção.

A convecção representa um balanço de forças entre a gravidade e a fricção. Uma terceira força se faz necessária para estabelecer a instabilidade inicial. As escalas de tempo e de espaço da convecção dependem da viscosidade do fluído. Os exemplos dados nas figura mostram a convecção na "terra sólida", atmosfera and oceano.

Vórtices

Vórtices resultam de instabilidade no movimento de um fluído. A sua formação envolve um balanço mais complicado de forças do que aquele que pretendemos estudar aqui, mas eles são feições tão comuns que é instrutivo olhar para alguns exemplos e comparar mais uma vez a terra "sólida", a atmosfera e os oceanos. A similaridade dos vórtices que ocorrem na atmosfera e nos oceanos será discutida em maior detalhe na Aula 1 desse curso. Nesse contexto vale a pena notar que na terra "sólida" ocorrem processos bastante semelhantes, só que em escalas bem mais longas de tempo.

Na atmosfera e no oceano vórtices podem ser formados em ventos ou em correntes, devido a uma interação específica que acontece quando o fluído se move na mesma direção mais em velocidades diferentes em pontos distintos (isso em inglês é denominado de shear, e em português chamamos de cisalhamento). A viscosidade bem maior da terra "sólida" geralmente previne a formação de vórtices mesmo quando existe este tipo de interação no movimento da crosta ou do manto. No caso da terra sólida o que se observa normalmente é o que chamamos de dobramento (em inglês chamado de folding).

Ondas

As ondas resultam de um balanço de forças que tem sua intensidade variando periodicamente, produzindo assim um movimento também periódico. Elas são uma maneira eficiente para transportar energia por distâncias bastante longas.

Quando estudarmos ondas haverá bastante espaço para estudarmos a interação dessas forças em detalhe.

Nesse estágio, usaremos as ondas como um outro exemplo para ilustrar mais uma vez que a terra "sólida", a atmosfera e o oceano são três tipos distintos de fluídos em movimento.

Existem várias maneiras pelas quais as ondas podem ser formadas. Os exemplos mostrados nas figuras representam balanços distintos entre forças. O que eles têm em comum é que suas propriedades podem ser compreendidas e seus comportamentos podem ser preditos com base nas leis da física.

O que aprendemos hoje?

O ambiente Terra é moldado pela presença da vida.
Compreender o ambiente siginifica entender as interações entre a biosfera, geosfera, hidrosfera e atmosfera.
As ciências da Terra estudam os tres componentes não vivos desse sistema interativo.
Geosfera, hidrosfera e atmosfera são fluídos em movimento; a maior diferença entre elas é a sua viscosidade.
Como fluídos em movimento eles exibem algumas feições em comum: convecção, vórtices, energia transportada através de propagação de ondas (entre outros).

O que seguirá esse tópico?

As atividades humanas do mundo atual - sendo elas industriais, comerciais ou de recreação -, moldarão nosso ambiente como nunca antes. O manejo ambiental ativo numa escala global se tornou uma necessidade.

As atividades humanas não podem anular as leis da natureza. O manejo ambiental ativo tem de ser baseado nessas leis, e não pode ser alcançado com sucesso opondo-se as mesmas.

As ciências de oceanografia e meteorologia investigam e (tentam) explicar como as leis da física determinam os processos que ocorrem na atmosfera e nos oceanos Elas formam uma das bases do manejo ambiental.

Manejo ambiental responsável deve levar em conta vários fatores, incluindo considerações econômicas, sociais e históricas, mas ele não pode ignorar as leis da física.

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