Descrição de ciência qualitativa e quantitativa

Começando em 2000 os dois tópicos foram fundidos em um único, chamado de Ciências da Terra 1, e continuou com os mesmo conteúdos de antes no primeiro semestre, e no segundo iniciamos Ciências Marinhas que ainda contém um extenso material em meteorologia e oceanografia física, mas que também cobre alguns aspectos elementares e introdutórios de biologia marinha.

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.; elas são uma versão resumida das primeiras duas aulas do curso, dadas no primeiro semestre.

O tópico de hoje:
O conceitos de ciclos e "orçamento" (budget em inglês)

Uma maneira comum de se expressar processos quantitativamente é utilizando o conceito de ciclos e orçamentos.

Em escalas de tempo geológicas, todos os processos que ocorrem na Terra estão baseados na idéia de que existe um reservatório constante de materiais.

As formas nas quais os materiais estão presentes mudam constantemente. Em um estado de equilíbrio, estas mudanças tem de ser cíclicas.

Essa aula discute quatro exemplos.

O ciclo da água

Similar a vários outros ciclos, o ciclo da água une processos que atuam no mundo vivo e não vivo: a precipitação e a evaporação dos oceanos ligam os oceanos e a atmosfera; a evaporação nos continentes e a transpiração das vegetações ligam a atmosfera com a biosfera.

No contexto da meteologia e da oceanografia o efeito da biosfera é quantitativamente expresso como um único processo, a evapo-transpiração. O ciclo da água assim, representa um componente básico do sistema combinado oceano-atmosfera.

A cada ciclo existe um orçamento associado. Os ciclos representam uma descrição qualitativa dos processos, já os orçamentos os tornam manifestações quantitativas. Nós fazemos distinção entre orçamentos estáticos, que sintetizam o quanto de um material em particular está disponível e como ele é distribuído entre os diferentes compartimentos, e orçamentos dinâmicos, que quantificam quão rápido esse material se move entre os diferentes compartimentos. Ciclos definem o processo; orçamentos nos permitem responder perguntas como por exemplo: "Como o ciclo da água é afetado se uma determinada porcentagem de mata nativa rasteira for desmatada e substituída por culturas de trigo" .

O orçamento da água

O orçamento estático demonstra a importância das camadas de gelo no ciclo global da água: Qualquer mudança nas condições da atmosfera ou dos oceanos que venha a liberar uma quantia significativa da água que presentemente está armazenada como gelo, irá produzir uma mudança grande no ciclo da água. A atmosfera parece insignificante comparativamente. Todavia, o papel importante da atmosfera se torna claro quando o orçamento dinâmico é considerado.

O orçamento do ciclo da água

O fluxo do orçamento demonstra que a maior parte da troca de água entre os compartimentos ocorre entre o oceano e a atmosfera, e assim a atmosfera é um elemento extremamente dinâmico desse sistema, apesar da pequena quantia de água nela presente num dado tempo. Em escala de tempo de décadas, a troca de água entre os oceanos e a atmosfera é equivalente ao total de água armazenada sob forma de gelo.

O ciclo dos sais

Os minerais são lixiviados das rochas pelo lençol freático e pela erosão na superfície. Eles entram nos rios, e destes seguem para o oceano, aonde acumulam fazendo a água do mar salgada. Os sais são removidos da água e entram no sedimento através de ações químicas.

O sedimento é usado para formar novas rochas o que trás os minerais de volta para a litosfera.

Sais entram na atmosfera como borrifos formados em ondas ou pela ação dos ventos. Isso pode ser carregado para a terra, constituindo um caminho possível, mas bem pequeno, do ciclo dos sais desde os oceanos até os continentes.

Já que o ciclo dos sais opera em escalas de tempo muito grandes, o estabelecimento de um orçamento estático dos sais não tem muita relevância para a oceanografia.

Elementos do fluxo do orçamento dos sais

O conceito de salinidade é assunto da aula 3.

O ciclo dos nutrientes

Em terra, os nutrientes são absorvidos dos solos pelas plantas e retornam ao mesmo pela a decomposição da matéria orgânica morta. Este é um ciclo que se fecha numa escala de tempo relativamente pequena, determinada pelo processo de decomposição e os tempos de vida das plantas, animais e humanos. Em sociedades humanas desenvolvidas o ciclo é apenas quebrado pela tomada de nutrientes nas populações de grandes cidades, que não são retornados para a terra, mas sim despejados nos sistemas de esgotos. A perda resultante desses nutrientes pela agricultura é compensada pela importação de fertilizantes minerais retirados dos reservatórios na litosfera.

Essa influência humana introduz um elo com um ciclo de nutrientes em uma escala de tempo bem maior, determinada pela formação dos depósitos minerais. A situação é similar àquela que será discutida abaixo com o ciclo de carbono mas não tem as mesmas conseqüências imediatas; o aumento de nutrientes disponíveis para o rápido ciclo de nutrientes no qual dependem tanto a agricultura como os processos da vida é bastante gradual, e uma grande porção da entrada de nutrientes é removida do ciclo para os oceanos.

No oceano a absorção de nutrientes pelas plantas ocorre nas camadas superficiais que são iluminadas pela luz do sol e aonde a fotossíntese é possível. A maior parte dos nutrientes é removida da zona eufótica e transferida para as camadas mais profundas, já que os organismos mortos tendem a sedimentar para o fundo dos oceanos, aonde eles saem do rápido ciclo de nutrientes. Nas camadas mais fundas, a matéria orgânica é remineralizada, quer dizer, nutrientes são mais uma vez disponibilizados em forma dissolvida. Assim, o oceano não é capaz de manter ecossistemas com alta produtividade, a não ser nos locais aonde os nutrientes remineralizados das camadas profundas são trazidos para a zona eufótica, nas chamadas regiões de ressurgência. O ciclo dos nutrientes será discutido em maior detalhe na Aula 5, e o processo de ressurgência na Aula 6.

O ciclo do carbono

Numa escala de tempo geológica o carbono é liberado para a atmosfera e para o oceano através do intemperismo de rochas calcárias. O carbono retorna para esse vasto reservatório como novas rochas que são formadas por deposição sedimentar.

Numa escala de tempo bem menor escalas de tempo climatológicas, o carbono é constantemente trocado entre a atmosfera, os oceanos e os organismos vivos e mortos.

O ciclo do carbono inclui as duas escalas de tempo, mas para propósitos mais práticos, o orçamento e o fluxo do carbono geralmente excluem as escalas de tempo geológicas.

Essa separação entre as escalas de tempo tem sido significativamente perturbada através do uso de combustíveis fósseis. A sua queima adiciona dióxido de carbono na atmosfera o que faz com que a sua capacidade de reter calor absorvido da energia solar seja também aumentada (o chamado efeito estufa). As tabelas abaixo apresentam estimativas atuais do orçamento e do fluxo orçamentario do carbono:

O que aprendemos hoje?

1. O estado do ambiente é determinado por um balanço de forças.

   A definição de vários ciclos, como o da água, dos sais, dos nutrientes e do carbono, é uma maneira útil de se descrever o equilíbrio que resulta de um balanço de forças.

2. O conceito de ciclos nos ajuda a compreender o mundo; mas para o manejo do ambiente e para se evitar erros esse conceito tem de ser transformado em uma medida quantitativa.

   Orçamentos e fluxos de orçamentos transformam o conceito de ciclos em manisfestações quantitativas.

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