para Entender a Terra

CAPÍTULO 1 Estruturando um Planeta Eu digo à minha esposa que a água fresca em seu copo não é tão fresca assim Seus átomos têm nada menos do que 14 bilhões de anos ASTRÔNOMO ANDY MCWILLIAM O método científico 26 As teorias e as práticas modernas da Geologia 27 A origem do nosso sistema planetário 28 A Terra primitiva formação de um planeta em camadas 30 A Terra como um sistema de componentes interativos 36 A Terra ao longo do tempo geológico 39 A Terra é um lugar único a casa de milhões de organismos incluindo nós mesmos Nenhum outro local que já tenhamos descoberto tem o mesmo delicado equilíbrio de condições para manter a vida A Geologia é a ciência que estuda a Terra como nasceu como evoluiu como funciona e como podemos ajudar a preservar os hábitats que sustentam a vida Neste livro estruturamos os temas da Geologia em torno de três conceitos básicos que vão aparecer em quase todos os capítulos 1 a Terra como sistema de componentes interativos 2 a tectônica de placas como uma teoria unificadora da Geologia e 3 as mudanças do sistema Terra ao longo do tempo geológico Este capítulo oferecerá uma ampla visão de como os geólogos pensam Ele começa com o método científico ou seja a abordagem objetiva do universo físico na qual toda investigação científica é baseada Com este livro você verá o método científico em ação à medida que descobrir como os geólogos obtêm e interpretam as informações sobre o nosso planeta Depois desta introdução descreveremos as explanações científicas geralmente mais aceitas de como a Terra foi formada e de por que ela continua a mudar Veremos que nosso planeta trabalha como um sistema de muitos componentes interativos sob sua superfície sólida em sua atmosfera e em seus oceanos Muitos desses componentes por exemplo a bacia atmosférica de Los Angeles os Grandes Lagos o vulcão Mauna Loa no Havaí e as florestas tropicais brasileiras são por sua vez subsistemas complexos Para entender as várias partes da Terra costumamos estudar seus subsistemas separadamente como se cada um deles existisse sozinho Entretanto para obter uma perspectiva completa de como a Terra funciona precisamos entender os modos como seus subsistemas interagem entre si por exemplo como os gases de um vulcão podem ocasionar mudanças climáticas ou como os organismos vivos podem modificar a atmosfera e por sua vez serem afetados por essas mudanças Devemos entender também como o sistema Terra evoluiu ao longo do tempo Você irá perceber que enquanto lê estas páginas sua idéia de tempo começará a mudar Uma visão geológica do tempo deve acomodar intervalos tão vastos que nós às vezes temos dificuldades de compreendêlos Os geólogos estimam que a Terra tem cerca de 45 bilhões de anos Antes de 3 bilhões de anos atrás células vivas desenvolveramse sobre a 26 Para Entender a Terra Terra mas nossa origem humana ocorreu há apenas poucos milhões de anos meros centésimos percentuais de toda a existência da Terra As escalas que medem as vidas dos indivíduos em décadas e marcam períodos da História humana escrita em centenas ou milhares de anos são inadequadas para estudar a Terra Os geólogos devem explicar eventos que evoluíram em dezenas de milhares centenas de milhares ou muitos milhões de anos O método científico O objetivo de toda a Ciência é explicar como o Universo funciona O método científico que todo cientista adota é um plano geral de pesquisa baseado em observações metodológicas e experimentos Figura 11 Os cientistas acreditam que os eventos físicos têm explicações físicas mesmo quando estão além da nossa capacidade atual de entendimento Quando os cientistas propõem uma hipótese uma tentativa de explicação baseada em dados coletados por meio de observação e experimentação eles a submetem à comunidade científica para que seja criticada e repetidamente testada contra novos dados Uma hipótese que é confirmada por outros cientistas obtém credibilidade particularmente se prediz o resultado de novos experimentos Uma hipótese que sobreviveu a repetidas mudanças e acumulou um significativo corpo de suporte experimental é elevada à condição de teoria Embora a força explanatória e preditiva de uma teoria tenha sido demonstrada ela nunca pode ser considerada definitivamente provada A essência da Ciência é que nenhuma explicação não importa o quão acreditada ou atraente é exatamente concordante com o problema Se evidências novas e convincentes indicam que uma teoria está errada os cientistas podem modificála ou descartála Quanto mais tempo uma teoria resiste a todas as mudanças científicas tanto mais confiável ela será considerada Um modelo científico é a representação de algum aspecto da natureza com base em um conjunto de hipóteses incluindo geralmente algumas teorias bem estabelecidas A comparação entre as predições do modelo e as observações feitas é uma maneira eficaz de testar se as hipóteses discutidas pelo modelo são mutuamente consistentes com ele Atualmente os modelos costumam ser formulados em termos de programas computadorizados que procuram simular o comportamento de sistemas naturais por meio de cálculos numéricos As simulações computadorizadas são importantes por permitirem que se entendam aspectos do comportamento de sistemas de longa duração que nem as observações de campo nem os experimentos laboratoriais sozinhos poderiam elucidar Para encorajar a discussão de suas idéias os cientistas as compartilham com seus colegas juntamente com os dados em que elas se baseiam Eles apresentam suas descobertas em encontros profissionais publicamnas em revistas especializadas e explicamnas em conversações informais com seus pares Os cientistas aprendem com os trabalhos dos outros e também com as descobertas feitas no passado A maioria dos principais conceitos da Ciência que surgem tanto a partir de um lampejo da imaginação como de uma análise cuidadosa é fruto de incontáveis interações dessa natureza Albert Einstein assim se referiu sobre essa questão Na Ciência o trabalho científico do indivíduo está tão inseparavelmente conectado ao de seus antecessores e contemporâneos que parece ser quase um produto impessoal de sua geração Pelo fato de esse livre intercâmbio intelectual poder estar sujeito a abusos um código de ética foi desenvolvido entre os cientistas Eles devem reconhecer as contribuições de todos os outros cientistas cujos trabalhos consultaram Também não devem fabricar ou falsificar dados utilizar o trabalho de terceiros sem fazer referências ou de outro modo ser fraudulentos em seu trabalho Devem ainda assumir a responsabilidade de instruir a próxima geração de pesquisadores e professores São importantes quanto qualquer um desses princípios são os valores básicos da Ciência Bruce Alberts o presidente da National Academy of Science dos Estados Unidos apropriadamente descreveu esses valores como sendo os de ho Observações e experimentos fornecem dados para uma hipótese Observações e experimentos 2 Descobertas venturosas e ao acaso serendipitosas podem ajudar a motivar uma hipótese Acaso serendipidade 3 Mudanças repetidas da hipótese por outros cientistas HIPÓTESE 4 podem confirmála ou rejeitála Outras hipóteses Confirmada Não Revisar ou 5 A hipótese pode ser revisada ou novamente testada Descartar Sim 6 Uma hipótese ou múltiplas hipóteses pode acumular confirmações suficientes para se tornar uma teoria TEORIA Outras teorias Mudanças Confirmada Não Revisar ou Descartar Sim 7 Teorias também são modificadas confirmadas revisadas ou descartadas 8 e um conjunto de hipóteses e teorias tornase um modelo científico MODELO CIENTÍFICO 9 Modelos científicos também são modificados Mudanças 10 O processo científico é uma contínua descoberta e compartilhamento de evidências para confirmar descartar ou revisar hipóteses teorias e modelos Figura 11 Um esboço do método científico teorias e as práticas modernas da Geologia Durante milhões de anos camadas de sedimentos acumularamse sobre aquelas rochas A camada mais recente o topo tem cerca de 250 milhões de anos As rochas da base do Grand Canyon têm de 17 a 20 bilhões de anos Há cerca de 50 mil anos o impacto explosivo de um meteorito talvez pesando 300 mil toneladas criou esta cratera de 12 km de diâmetro em apenas poucos segundos Figura 12 Os fenômenos geológicos podem estenderse durante milhares de séculos ou ocorrer com velocidades estupendas Esquerda O Grand Canyon no Arizona EUA John WangPhotoDiscGetty Images Direita Cratera do Meteorito Arizona EUA John SanfordPhoto Researchers Uma nebulosa difusa grosseiramente esférica e em lenta rotação começa a contrairse Como resultado da contração e rotação um disco achatado girando rapidamente formase com matéria concentrada em seu centro que se transformará no protoSol O disco envolvido por gás e poeira forma grãos que colidem e se agregam em pequenos blocos ou planetesimais Os planetas terrestres estruturaramse a partir de múltiplas colisões e acrescimento de planetesimais ocasionados pela atração gravitacional Os planetas gigantes exteriores aumentaram por acrescimento de gás Sistema solar Planetas terrestres Planetas gigantes exteriores A origem do nosso sistema planetário A busca da origem do Universo e de nossa própria e pequena parte contida nele remonta às mais antigas mitologias registradas Atualmente a explicação científica mais aceita é a teoria da Grande Explosão Big Bang a qual considera que nosso Universo começou entre 13 a 14 bilhões de anos atrás a partir de uma explosão cósmica Antes desse instante toda a matéria e energia estavam concentradas num único ponto de densidade inconcebível Embora saibamos pouco do que ocorreu na primeira fração de segundo após o início do tempo os astrônomos obtiveram um entendimento geral dos bilhões de anos que se seguiram Desde aquele instante num processo que ainda continua o Universo expandiuse e diluiuse para formar galáxias e estrelas Os geólogos ainda analisam os últimos 45 bilhões de anos dessa vasta expansão um tempo durante o qual o nosso sistema solar a estrela que nós chamamos de Sol e os planetas que nela orbitam formouse e evoluiu Mais especificamente os geólogos examinam a formação do sistema solar para entender a formação da Terra A hipótese da nebulosa Em 1755 o filósofo alemão Immanuel Kant sugeriu que a origem do sistema solar poderia ser traçada pela rotação de uma nuvem de gás e poeira fina Descobertas feitas há poucas décadas levaram os astrônomos de volta a essa antiga idéia agora chamada de hipótese da nebulosa Equipados com telescópios modernos eles descobriram que o espaço exterior além do sistema solar não está vazio como anteriormente era pensado Figura 13 Evolução do sistema solar externas menos densas Uma vez formado o disco começou a esfriar e muitos gases condensaramse Ou seja eles mudaram para suas formas líquidas ou sólidas assim como o vapor dágua condensava em gotas na parte externa de um copo gelado e a água solidifica em gelo quando esfri a até o ponto de congelamento A atração gravitacional causou a agregação de poeira e material condensado por meio de colisões pegajosas em pequenos blocos ou planetesimais de 1 km Por sua vez esses planetesimais colidiram e se agregaram formando corpos maiores com o tamanho da Lua Num estágio final de impactos cataclísmicos uma pequena quantidade desses corpos maiores cuja atração gravitacional é também maior arrastou os outros para formar os nossos nove planetas em suas órbitas atuais Quando os planetas se formaram aqueles cujas órbitas estavam mais próximas do Sol desenvolveramse de maneira marcadamente diferente daqueles com órbitas mais afastadas A composição dos planetas interiores é muito diferente daquela dos planetas exteriores Os planetas interiores Os quatro planetas interiores em ordem de proximidade do Sol são Mercúrio Vênus Terra e Marte Figura 14 Eles também são conhecidos como planetas terrestres parecidos com a Terra Em contraste com os planetas exteriores os quatro planetas interiores são pequenos e constituídos de rochas e metais Eles cresceram próximos ao Sol onde as condições foram tão quentes que a maioria dos materiais voláteis aqueles que se tornaram gases e evaporaram em temperaturas relativamente baixas não pôde ser retida O fluxo de radiação e matéria proveniente do Sol impeliu a maior parte do hidrogênio do hélio da água e de outros gases e líquidos leves que havia nesses planetas Metais densos como o ferro e outras substâncias pesadas constituintes das rochas que formaram os planetas interiores foram deixados para trás A partir da idade dos meteoritos que ocasionalmente golpeiam a Terra e são tidos como remanescentes do período préplanetário deduzimos que os planetas interiores começaram a crescer há cerca de 456 bilhões de anos Cálculos teóricos indicam que eles teriam crescido até o tamanho de planeta num intervalo de tempo impressionantemente curto de menos de 100 milhões de anos Figura 14 O sistema solar A figura mostra o tamanho relativo dos planetas e o cinturão de asteroides que separa os planetas interiores dos planetas exteriores Os planetas interiores são menores e rochosos Os quatro planetas exteriores gigantes e suas luas são gasosos com núcleos rochosos Plutão é uma bola gelada de metano água e rocha Os planetas exteriores gigantes A maioria dos materiais voláteis varridos da região dos planetas interiores foi impedida para a parte mais externa e fria da nebulosa Isso possibilitou ao sistema solar formar os planetas exteriores gigantes constituídos de gelo e gases Júpiter Saturno Urano e Netuno e seus satélites Os planetas gigantes suficientemente grandes e com forte atração gravitacional varreram os constituintes mais leves da nebulosa Assim embora tenham núcleos rochosos eles como o Sol são compostos predominantemente por hidrogênio e hélio além de outros constituintes leves da nebulosa original Esse modelopadrão da formação do sistema solar deveria ser considerado somente pelo que é uma explicação tentativa que muitos cientistas pensam estar mais bem ajustada aos fatos conhecidos Talvez o modelo aproximese daquilo que realmente tenha acontecido Entretanto mais importante ainda é o fato de que esse modelo nos oferece uma maneira de pensar sobre a origem do sistema solar que pode ser testada pela observação de nossos planetas e pelo estudo de outras estrelas Sondas espaciais americanas e russas obtendo provas planetárias têm transmitido dados sobre a natureza e composição das atmosferas e superfícies de Mercúrio Vênus Marte Júpiter Saturno Urano Netuno e da Lua Uma impressionante descoberta foi a de que em nosso sistema solar que consiste em nove planetas e pelo menos 60 satélites não há sequer dois corpos que sejam iguais Outros sistemas solares Durante anos cientistas e filósofos têm especulado que talvez haja planetas ao redor de outras estrelas que não apenas o nosso Sol Na década de 1990 usando grandes telescópios os astrônomos descobriram planetas orbitando próximos a estrelas semelhantes ao Sol Em 1999 a primeira família de exoplanetas os sistemas solares de outras estrelas foi identificada Esses planetas têm luz muito fraca para serem vistos diretamente pelos telescópios Porém sua existência pode ser inferida a partir de uma leve atração gravitacional da estrela em que orbitam causando nela movimentos de vaivém que podem ser medidos Atualmente mais de 90 exoplanetas já foram identificados A maioria deles é do tamanho de Júpiter ou ainda maior e orbitam próximos das estrelasmães muitos a uma distância abrasante Planetas do tamanho da Terra são muito pequenos para serem detectados por essa técnica mas os astrônomos podem ser capazes de encontrálos utilizando outros métodos Por exemplo num prazo de cerca de 10 anos sondas espaciais fora da atmosfera da Terra poderiam ser capazes de procurar por um esmorecimento da luz de uma estrelamãe exatamente no momento em que um planeta em sua órbita passasse em sua frente interceptando a linha de visão para a Terra Somos fascinados pelos sistemas planetários de outras estrelas pelo que eles podem vir a nos ensinar sobre nossa própria origem Nosso redobrado interesse todavia reside na profunda implicação científica e filosófica contida na questão Existe mais alguém fora daqui Dentro de 20 anos uma sonda espacial denominada Descobridora da Vida Life Finder poderia estar equipada com instrumentos para analisar as atmosferas de exoplanetas em nossa galáxia na busca de indícios da presença de algum tipo de vida Tendo em vista o que conhecemos sobre os processos biológicos a vida em um exoplaneta seria provavelmente baseada em carbono e precisaria de água líquida As temperaturas brandas que desfrutamos na Terra não tão afastadas do intervalo entre os pontos de congelamento e ebulição da água parecem ser essenciais Uma atmosfera é necessária para filtrar a radiação prejudicial da estrelamãe e o planeta deve ser grande o suficiente para que seu campo gravitacional impeça a atmosfera de escapar para o espaço Para que exista um planeta habitável e com vida avançada como nós a conhecemos são necessárias condições ainda mais limitantes Por exemplo se o planeta fosse muito grande organismos delicados tais como os humanos seriam frágeis demais para resistir a sua vigorosa força gravitacional Esses requisitos são muito restritivos para que a vida exista em algum outro lugar Muitos cientistas pensam que não considerando a existência de bilhões de estrelas semelhantes ao Sol na nossa galáxia A Terra primitiva formação de um planeta em camadas Como a partir de uma massa rochosa a Terra evoluiu até um planeta vivo com continentes oceanos e uma atmosfera A resposta reside na diferenciação a transformação de blocos aleatórios de matéria primordial num corpo cujo interior é dividido em camadas concêntricas que diferem umas das outras 1 Durante os estágios intermediários e finais do acrescimento da Terra há cerca de 45 bilhões de anos um corpo do tamanho de Marte impactou a Terra 2 e o impacto gigante rapidamente ejetou para o espaço uma chuva de detritos tanto do corpo impactante como da Terra Corpo impactante Terra 42 min após o impacto 84 min 125 min Figura 15 Ilustração de uma simulação computadorizada da origem da Lua por meio do impacto de um corpo do tamanho de Marte Solid Earth Sciences and Society National Research Council 1993 CAPÍTULO 1 Estruturando um Planeta 31 física como quimicamente A diferenciação ocorreu nos momentos da história da Terra quando o planeta adquiriu calor suficiente para se fundir Aquecimento e fusão da Terra primordial Para entender a atual estrutura em camadas da Terra devemos considerar ao tempo em que ela foi exposta aos violentos impactos planetesimais e de corpos maiores O movimento de obtem entrega energia cinemática ou de movimento Pense no embaincomo a energia do movimento comprime um carro numa colis prote um planetesimal colidindo com a Terra numa veloci dade típica de 15 a 20 kms liberará uma energia equivalente a várias vezes o seu peso em TNT2 Quando planetesimais e corpos maiores colidiram com a Terra primitiva a maior parte da energia cinemática foi convertida em calor uma outra forma de energia A energia de impacto de um corpo com aproximadamente o tamanho de Marte colidindo com a Terra seria equivalente a explodir vários trilhões de bombas nucleares de 1 megaton e energia de 1 milhão de toneladas de TNT ou 1015 cal mas se essas terríveis bombas destruiria uma grande cidade Calor suficiente para ejetar no espaço uma grande quantida de de detritos e gerar calor suficiente para fundir a maior parte da parte restante da Terra Muitos cientistas agora pensam que tal cataclismo de fato ocorreu nos estágios tardios de acréscimo da Terra O próprio impacto criou uma chuva de detritos tanto da Terra como do corpo impactante que se propalou para o espaço A Lua teria se formado a partir desses detritos Figura 15 A Terra teria se assemelhado como um corpo em grande parte fundido Esse cataclismo impacto acelerou a velocidade de rotação da Terra e mudou seu eixo rotacional golpeandoo da posição vertiri cal em relação ao plano orbital da Terra para sua atual inclinação de 23 Tudo isso há cerca de 45 bilhões de anos entre o início do período de acréscimo da Terra 456 bilhões de anos e a idade das rochas mais antigas da Lua 447 bilhões de anos trazidas pelos astronautas da Apollo Além do impacto colossal uma outra força de calor teria causado a fusão nos primórdios da história da Terra Vários elementos urânio por exemplo são radioativos o que significa que se desintegram espontaneamente com a emissão de partículas subatômicas Como essas partículas são absorvidas pela matéria do entorno sua energia de movimento é transformada em calor O calor radioativo teria contribuído para aquecer e fundir materiais da então jovem Terra Elementos radioativos embora apenas presentes em pequenas quantidades tiveram um efeito considerável na evolução da Terra e continuam a manter o calor interior Começa a diferenciação Embora a Terra provavelmente tenha iniciado como uma mistura nãosegregada de planetesimais e outros remanescentes da nebulosa ela não manteve essa forma durante muito tempo Uma fusão de grande proporção ocorreu como resultado de um gigantesco impacto Alguns trabalhos sobre esse tema especulam que cerca de 30 a 65 da Terra fundiramse formando uma camada externa de centenas de quilômetros de espessura a qual chamaram de oceano de lava rocha derretida Da mesma forma o interior aqueceuse até um estado leve menos denso no qual seus componentes podiam moverse de um lado para outro O material pesado mergulhou para o interior para tornarse o núcleo e o material mais leve flutuou para a superfície e formou a crosta A emersão do material mais leve carregou consigo calor interno para a superfície de onde ele poderia irradiarse para o espaço Dessa forma a Terra resfriouse e grande parte dela solidificouse e foi transformada em um planeta diferenciado ou zoneado em três camadas principais um núcleo central e uma crosta externa separados por um manto Figura 16 Um resumo dos períodos de tempo que descrevem a origem da Terra e sua evolução num planeta diferenciado é mostrado na Figura 112 Núcleo da Terra O ferro que é mais denso que a maioria dos outros elementos correspondia a cerca de um terço do material do planeta primitivo O ferro e outros elementos pesados como o níquel mergulharam para formar o núcleo central Os cientistas consideram que o núcleo o qual começa numa profundidade de cerca de 2900 km é líquido na parte externa mas sólido numa região chamada de núcleo central que se estende desde uma profundidade de cerca de 5200 km até o centro da Terra a cerca de 6400 km O núcleo interno é sólido porque a pressão no centro é muito alta para o ferro fundirse a temperatura em que qualquer material se funde elevase com o aumento da pressão Crosta da Terra Outros materiais líquidos e menos densos separaramse das substâncias geradoras flutuando em direção à O impacto acelerou a rotação da Terra e inclinou o seu plano orbital para 23 4 A Terra reconstruiuse como um grande corpo fundido 5 e a Lua agregouse a partir dos detritos 6 Rochas da Lua com 447 bilhões de anos trazidas pelos astronautas da Apollo confirmaram essa hipótese do impacto 32 Para Entender a Terra Ferro Matéria Crosta Manto Ferro líquido do mais leve 040 km 402890 km núcleo externo 28905150 km Ferro sólido do núcleo interno 51506370 km Figura 16 A diferenciação da Terra primitiva resultou num planeta zoneado com um denso núcleo de ferro uma crosta de rochas leves e um manto residual entre ambos Durante a diferenciação o ferro afundou em direção ao centro e o material mais leve flutuou para cima de modo que a Terra se apresenta como um planeta zoneado superfície do oceano de magma Aí resfriaramse para formar a crosta sólida da Terra uma fina camada externa com cerca de 40 km de espessura A crosta contém materiais relativamente leves com temperaturas de fusão baixas A maioria desses materiais que facilmente se fundem é composta de elementos de silício alumínio ferro cálcio magnésio sódio e potássio combinados com oxigênio Todos eles com exceção do ferro estão entre os elementos sólidos mais leves O Capítulo 3 discutirá os elementos químicos e os compostos que eles formam Recentemente no oeste da Austrália um fragmento do mineral zircão foi datado com a idade de 43 a 44 bilhões de anos constituindose no mais antigo material terrestre já descoberto Análises químicas indicam que ele foi formado próximo à superfície na presença de água sob condições relativamente frias Se essa descoberta for confirmada por dados e experimentos adicionais podemos concluir que a Terra pode ter resfriado o suficiente para formar uma crosta somente 100 milhões de anos depois de ter se reconstituído do gigantesco impacto Manto da Terra Entre o núcleo e a crosta encontrase o manto uma região que forma a maior parte da Terra sólida O manto é o material deixado na zona intermediária depois que grande quantidade da matéria pesada afundou e a matéria mais leve emergiu O manto abrange profundidades que vão desde 40 até 2900 km Ele consiste em rochas com densidade intermediária em sua maioria compostos de oxigênio com magnésio ferro e silício Existem mais de cem elementos mas as análises químicas das rochas indicam que apenas oito constituem 99 da massa da Terra Figura 17 De fato cerca de 90 da Terra consistem em apenas quatro elementos ferro oxigênio silício e magnésio Quando comparamos a abundância relativa dos elementos constituintes da crosta com sua abundância em relação a toda a Terra podemos constatar que o ferro soma 35 da massa desta Devido à diferenciação entretanto há pouco ferro na crosta onde os elementos leves predominam Como se pode ver na Figura 17 as rochas crustais sobre as quais estamos são constituídas por quase 50 de oxigênio Outros 1 Alumínio 11 Cálcio 11 Enxofre 19 Níquel 24 Magnésio 13 Ferro 35 Silício 15 Oxigênio 30 TERRA INTEIRA Alumínio 8 Silício 28 CROSTA DA TERRA Ferro 6 Magnésio 4 Cálcio 24 Potássio 23 Sódio 21 Outros 1 Oxigênio 46 Figura 17 A abundância relativa dos elementos da Terra inteira comparada com a dos elementos da crosta é dada em percentuais de peso A diferenciação criou uma crosta leve empobrecida de ferro e rica em oxigênio silício alumínio cálcio potássio e sódio Apenas quatro elementos constituem cerca de 90 da Terra ferro oxigênio silício e magnésio Observe que o oxigênio o silício e o alumínio sozinhos formam mais de 80 da crosta A formação dos continentes dos oceanos e da atmosfera da Terra A fusão primitiva promoveu a formação da crosta da Terra e fortuitamente dos continentes Ela fez com que os materiais mais leves se concentrassem nas camadas externas e permitiu que pelo menos os gases mais leves escapassem do interior Esses gases formaram grande parte da atmosfera e dos oceanos Até hoje remanescentes retidos da nebulosa solar original continuam a ser emitidos como gases primitivos em erupções vulcânicas Continentes A feição mais visível da crosta da Terra são os continentes O crescimento dos continentes começou logo após a diferenciação e continuou ao longo do tempo geológico Temse quando muito apenas uma noção geral do que levou à sua formação Imaginamos que o magma partiu do interior derretido da Terra e ascendeu à superfície onde esfriou e se solidificou para formar a crosta rochosa Essa crosta primitiva fundiuse e solidificouse repetidamente fazendo com que os materiais mais leves se separassem dos mais pesados e ascendessem ao topo para formar os núcleos primitivos dos continentes A água da chuva e outros constituintes da atmosfera erodiram as rochas levandoas a decomporamse e desintegraremse Água vento e gelo desprenderam então os detritos rochosos e moveramnos para lugares de deposição mais baixos Aí se acumularam em camadas espessas formando praias deltas e os assoalhos dos mares adjacentes A repetição desse processo durante muitos ciclos estruturou os continentes Oceanos e a atmosfera Alguns geólogos pensam que a maior parte do ar e da água da Terra atual vieram de fora do sistema solar por meio de materiais ricos em voláteis que impactaram o planeta depois que ele foi formado Por exemplo os cometas que vemos são compostos predominantemente de gelo mais dióxido de carbono e outros gases congelados Incontáveis cometas podem ter bombardeado a Terra nos primórdios de sua história fornecendo água e gases que subsequentemente deram origem aos oceanos e à atmosfera primitivos Muitos outros geólogos acreditam que os oceanos e a atmosfera podem ter sua origem rastreada no nascimento úmido da própria Terra De acordo com essa hipótese os planetesimais que se agregaram formar nosso planeta tinham gelo água e outros voláteis Originalmente a água estava aprisionada quimicamente ligada como oxigênio e hidrogênio em certos minerais trazidos pela agregação dos planetesimais De forma similar nitrogênio e carbono também estavam quimicamente ligados nos minerais Quando a Terra se aqueceu e seus materiais fundiramse parcialmente o vapor dágua e outros gases foram liberados e levados para a superfície pelos magmas sendo lançados na atmosfera pela atividade vulcânica Os gases emitidos pelos vulcões há cerca de 4 bilhões de anos consistiam provavelmente nas mesmas substâncias que são expelidas dos vulcões atuais embora não necessariamente na mesma quantidade relativa fundamentalmente hidrogênio dióxido de carbono nitrogênio vapor dágua e alguns outros gases Figura 18 Quase todo o hidrogênio escapou para o espaço exterior enquanto os gases pesados envolveram o planeta Essa atmosfera primitiva era destituída de oxigênio elemento que constitui 21 da atmosfera atual O oxigênio não fazia parte da atmosfera até que organismos fotossintéticos evoluíssem como será descrito posteriormente neste capítulo Figura 18 A atividade vulcânica primitiva contribuiu com o lançamento para a atmosfera e os oceanos de grandes quantidades de vapor dágua dióxido de carbono e outros gases e para os continentes de materiais sólidos A fotossíntese dos microrganismos removeu o dióxido de carbono e adicionou oxigênio à atmosfera primordial O hidrogênio devido à sua leveza escapou para o espaço exterior A diversidade de planetas Há cerca de 4 bilhões de anos a Terra tornouse um planeta inteiramente diferenciado O núcleo encontravase muito quente e em grande parte fundido mas o manto estava razoavelmente bem solidificado e uma crosta primitiva e seus continentes tinham se desenvolvido Os oceanos e a atmosfera haviam se formado provavelmente a partir de substâncias lançadas do interior da Terra e os processos geológicos que hoje observamos estavam iniciando seu funcionamento Mas o que ocorreu com os outros planetas Tiveram a mesma história inicial Informações transmitidas pelas sondas espaciais indicam que todos os planetas terrestres sofreram diferenciação porém seus caminhos evolutivos variaram Mercúrio tem uma tênue atmosfera predominantemente formada por hélio A pressão atmosférica na sua superfície é menor que um trilionésimo da pressão na Terra Não há ação de ventos ou água para erodir e suavizar sua antiga superfície que se assemelha com a da Lua predominantemente crateriforme e coberta por uma camada de detritos os quais são os fragmentos remanescentes de bilhões de anos de impactos de meteoritos Devido ao fato de não existir propriamente uma atmosfera e estar muito próximo do Sol a superfície do planeta se aquece com temperaturas de 467ºC durante o dia e esfria para 173ºC à noite Essa é a maior variação de temperatura conhecida no Figura 19 Uma comparação das superfícies sólidas de Vênus Terra e Marte todas na mesma escala A topografia de Vênus que mostra o menor contraste altitudico foi medida entre 1990 e 1993 por um altímetro de radar a bordo da sonda orbitadora Magellan Magalhães A topografia da Terra dominada pelos continentes e oceanos e com contraste intermediário foi sintetizada a partir de medidas altimétricas da superfície do solo batimétricas dos oceanos obtidas por navios e medidas do campo gravimétrico obtidas da superfície do assoalho oceânico por satélites orbitais da Terra A topografia de Marte que mostra o maior contraste foi medida entre 1998 e 1999 por meio de um altímetro a laser a bordo da sonda orbitadora Mars Global Surveyor Topografia Global de Marte Cortesia de Greg NeumannMITGSFCNASA sistema solar além daquela encontrada no Sol em cuja superfície há uma variação muito mais drástica Os cientistas estão intrigados com a origem do enorme núcleo de ferro de Mercúrio Ele constitui 70 de sua massa um recorde dentre os planetas do sistema solar Vênus evoluiu para um planeta em que as condições superficiais ultrapassam a maioria das descrições do inferno Ele está envolto numa atmosfera pesada venenosa e incrivelmente quente 475ºC composta sobretudo por dióxido de carbono e nuvens de gotículas de ácido sulfúrico corrosivo Um humano que permanecesse em sua superfície seria esmagado pela pressão cozido pelo calor e corroído pelo ácido sulfúrico Imagens de radar que vêem através da espessa cobertura de nuvens mostram que pelo menos 85 da superfície de Vênus são cobertos por derrames de lavas O restante é predominantemente montanhoso evidência de que o planeta tem sido geologicamente ativo Figura 19 Vênus é gêmeo da Terra em massa e tamanho Como pôde evoluir num planeta tão diferente do nosso é uma questão que intriga os geólogos planetários Marte tem sofrido muitos dos mesmos processos que têm modelado a Terra Figura 19 porém conta com uma fina atmosfera composta quase inteiramente de dióxido de carbono A água líquida não está presente na sua superfície atual o planeta é tão frio e sua atmosfera tão delgada que a água ou congela ou evapora As redes de vales e canais secos de rios entretanto indicam que a água líquida foi abundante na superfície de Marte há mais de 35 bilhões de anos Algumas das rochas observadas pelo robô móvel Sojourner da Missão Exploradora de Marte Mars Pathfinder de 1997 mostraram evidências de terem sido desgastadas pelo fluxo de água As sondas orbitadoras de Marte têm recentemente encontrado evidências de que grande quantidade de gelo pode estar armazenada abaixo da superfície e segregada nas capas de gelo polares A vida pode ter existido num planeta Marte úmido de bilhões de anos atrás e pode existir hoje como micróbios sob a superfície A NASA está projetando uma sonda que poderia responder dentro de poucos anos à questão de se há vida em Marte A maior parte da superfície do planeta tem mais de 3 bilhões de anos Na Terra em contraste grande parte da superfície de mais de 500 milhões de anos foi obliterada pela atividade geológica Os capítulos seguintes vão descrever como esses processos ativos têm modelado a face do nosso planeta ao longo de sua história Além da Terra a Lua é o outro corpo mais bem conhecido do sistema solar devido à sua proximidade e aos programas de exploração tripulada e nãotripulada Como explicitado anteriormente a teoria mais aceita sobre a origem da Lua propõe que ela coalesceu como um grande corpo fundido depois que um gigantesco impacto ejetou sua matéria da Terra Em geral os materiais da Lua são mais leves que os da Terra porque a matéria mais pesada do gigante corpo colidente e a de seu alvo primitivo permaneceram encravadas na Terra A Lua não tem atmosfera e como Vênus é predominantemente muito seca tendo perdido sua água devido ao calor gerado pelo enorme impacto Há algumas evidências novas a partir de observações de sondas espaciais de que pode existir gelo em pequenas quantidades em crateras profundas e sombrias nos pólos norte e sul da Lua A superfície que vemos hoje é aquela de um corpo muito velho e geologicamente inativo Dois terrenos dominam a superfície lunar O mais antigo é o das terras altas de coloração clara Essas regiões rugosas e intensamente crateriformes cobrem cerca de 80 da superfície As terras altas são resultantes dos detritos ejetados pelos impactos dos primórdios da história lunar quando a Lua foi bombardeada por grandes asteroides Os restantes 20 da superfície são constituídos por planícies escuras mais novas chamadas de maria que significa mares em latim pois é assim que se parecem quando vistas da Terra Os mares foram formados mais tarde quando as grandes bacias de impactos foram subsequentemente preenchidas por lavas Os planetas exteriores ou gigantes gasosos Júpiter Saturno Urano e Netuno permanecerão como um quebracabeça por muito tempo Essas imensas bolas de gases são quimicamente tão distintas e tão grandes que devem ter seguido uma trajetória evolutiva inteiramente diferente daquela dos pequenos planetas telúricos Entendemos menos ainda sobre o planeta mais distante o minúsculo Plutão uma estranha mistura congelada de gás gelo e rocha sendo o único planeta ainda não visitado por nossas sondas espaciais O bombardeamento vindo do espaço As superfícies salpicadas por crateras da Lua Marte Mercúrio e outros corpos são evidências de um importante intervalo da história primordial do sistema solar o período de Bombardeamento Pesado ver Figura 13 Durante esse período que deve ter durado desde a formação dos planetas até 600 milhões de anos depois os planetas varreram e colidiram com a matéria residual deixada para trás na época em que foram agregados A atividade geológica na Terra obliterou os efeitos desse bombardeamento O espaço está cheio de asteroides meteoróides cometas e outros detritos abandonados desde o início do nosso sistema solar Pequenos blocos de detritos aqueceramse e vaporizaramse na atmosfera da Terra antes de alcançar a sua superfície enquanto blocos maiores atravessaramna por completo Atualmente cerca de 40 mil toneladas de material extraterreste caem na Terra a cada ano sobretudo como poeira e pequenos objetos não observados Embora a atual taxa de impacto seja em várias ordens de magnitude menor que aquela do período de Bombardeamento Pesado um grande bloco de 1 a 2 km de diâmetro ainda pode colidir com a Terra em intervalos aproximados de poucos milhões de anos Embora tais colisões tenham se tornado raras telescópios estão sendo programados para localizar os maiores corpos no espaço e assim possibilitar que sejamos antecipadamente advertidos da potencialidade de alguns deles virem a se chocar com a Terra Recentemente os astrônomos da NASA previram com uma probabilidade nada negligenciável uma chance em 300 que um asteroide de 1 km de diâmetro colidirá com a Terra em março de 2880 Um evento como esse constituiria uma ameaça à civilização Quadro 11 Impactos de bólidos e seus efeitos na vida na Terra Tamanho R raio Exemplo4 Última ocorrência em anos Efeitos planetários Efeitos na vida Supercolossal R 2000 km Evento de formação da Lua 445 x 109 Fusão do planeta Forte emissão de voláteis extinção da vida na Terra Colossal R 700 km Plutão Mais do que 43 x 109 Fusão da crosta Extinção da vida na Terra Imenso R 200 km 4 Vesta5 um grande asteróide Cerca de 40 x 109 Vaporização dos oceanos A vida pode sobreviver sob a superfície Extragrande R 70 km Chiron maior cometa em movimento 38 x 109 Vaporização do topo dos oceanos até 100 m Cozimento sob pressão do vapor na zona fóticaa pode cessar a fotossíntese Grande R 30 km Cometa HaleBopp Cerca de 2 x 109 Aquecimento da atmosfera e da superfície até cerca de 727ºC Cauterização dos continentes Médio R 10 km Bólido do KT6 433 Eros o maior asteroide próximo da Terra 65 x 106 Incêndios poeira escuridão mudanças químicas no oceano e na atmosfera grande oscilação de temperaturas Extinção de metade das espécies o evento KT levou à extinção dos dinossauros Pequeno R 1 km Tamanho aproximado de 500 asteróides próximos da Terra Cerca de 300 mil Suspensão de poeira em toda a atmosfera durante meses Interrupção da fotossíntese indivíduos morrem mas poucas espécies são extintas ameaça à civilização Muito pequeno R 100 m Evento de Tunguska Sibéria 1908 ano Derrubou árvores num rastro de dezenas de quilômetros causou pequenos efeitos hemisféricos suspensão de poeira na atmosfera Manchetes nos jornais pôrdosol romântico crescimento da taxa de natalidade a Região da Terra que recebe a luz do Sol ou seja a atmosfera e o topo dos oceanos até 100 m de profundidade Fonte Modificada de J D Lissauer Nature 402 C11C14 36 Para Entender a Terra Um impacto importante ocorreu há 65 milhões de anos O bólido com pouco mais de 10 km causou a extinção de metade das espécies da Terra incluindo todos os dinossauros Talvez esse evento tenha possibilitado que os mamíferos se tornassem a espécie dominante preparando o caminho para o homem O Quadro 11 descreve os efeitos de impactos de vários tamanhos em nosso planeta e na vida O poeta Robert Frost talvez tenha pensado na vulnerabilidade da vida na Terra quando escreveu Alguns dizem que o mundo terminará em labareda quente Outros dizem que em frio enregelado Do que eu provei do desejo ardente Eu concordo com os que torcem pelo fogo inclemente Mas se eu tiver de perecer dobrado Eu acho que conheço bem o querer mal Para dizer que a destruição do gelo despiadado É também colossal E suficiente pro mundo ser acabado7 A Terra como um sistema de componentes interativos Embora a Terra tenha se esfriado desde seu início ardente ela continua um planeta inquieto mudando continuamente por meio de atividades geológicas tais como terremotos vulcões e glaciações Essas atividades são governadas por dois mecanismos térmicos um interno e o outro externo Mecanismos de tal tipo como por exemplo o motor a gasolina de um automóvel transformam calor em movimento mecânico ou trabalho O mecanismo interno da Terra é governado pela energia térmica aprisionada durante a origem cataclísmica do planeta e gerada pela radioatividade em seus níveis mais profundos O calor interior controla os movimentos no manto e no núcleo suprindo energia para fundir rochas mover continentes e soerguer montanhas O mecanismo externo da Terra é controlado pela energia solar calor da superfície terrestre proveniente do Sol O calor do Sol energiza a atmosfera e os oceanos e é responsável pelo nosso clima e tempo Chuva vento e gelo erodem montanhas e modelam a paisagem e por sua vez a forma da superfície muda o clima Todas as partes do nosso planeta e todas suas interações tomadas juntas constituem o sistema Terra Embora os cientistas da Terra pensem já há algum tempo em termos de sistemas naturais foi apenas nas últimas décadas do século XX que eles dispuseram de equipamentos adequados para investigar como o sistema Terra realmente funciona Dentre os principais avanços estão as redes de instrumentos e satélites orbitantes de coleta de informações do sistema Terra numa escala global e o uso de computadores eletrônicos com potência suficiente para calcular a massa e a energia transferidas dentro do sistema Os principais componentes do sistema Terra estão descritos no Quadro 12 e representados na Figura panorâmica 110 Já discorreremos sobre alguns deles e definiremos os outros a seguir Dedicarremos nossa atenção às diversas facetas do sistema Terra nos capítulos posteriores Vamos agora começar a pensar sobre algumas de suas feições básicas A Terra é um sistema aberto no sentido de que troca massa e energia com o restante do cosmos A energia radiante do Sol energiza o intemperismo e a erosão da superfície terrestre bem como o crescimento das plantas as quais servem de alimento a muitos outros seres vivos Nosso clima é controlado pelo balanço entre a energia solar que Quadro 12 Os principais componentes do sistema Terra A energia solar energiza estes componentes Atmosfera Invólucro gasoso que se estende desde a superfície terrestre até uma altitude de cerca de 100 km Hidrosfera A esfera da água compreende todos os oceanos lagos rios e a água subterrânea Biosfera Toda matéria orgânica relacionada à vida próxima à superfície terrestre O calor interno da Terra energiza estes componentes Litosfera Espessa camada rochosa externa da Terra sólida que compreende a crosta e a parte superior do manto até uma profundidade média de cerca de 100 km forma as placas tectônicas Astenosfera Fina camada dúctil do manto sob a litosfera que se deforma para acomodar os movimentos horizontais e verticais das placas tectônicas Manto inferior Manto sob a astenosfera estendendose desde cerca de 400 km até o limite núcleomanto8 cerca de 2900 km de profundidade Núcleo externo Camada líquida composta predominantemente por ferro liquefeito estendendose desde cerca de 2900 km até 5150 km de profundidade Núcleo interno Esfera mais interna constituída predominantemente de ferro sólido estendendose desde cerca de 5150 km até o centro da Terra cerca de 6400 km de profundidade CAPÍTULO 1 Estruturando um Planeta 37 A TERRA É UM SISTEMA ABERTO QUE TROCA ENERGIA E MASSA COM SEU ENTORNO 1 O Sol controla o mecanismo externo da Terra 2 A energia solar é responsável por nosso clima e tempo meteorológico 3 O mecanismo interno da Terra é governado pelo calor aprisionado durante sua origem 4 e pela radioatividade de seu interior 5 O calor irradiado pela Terra equilibra o calor interno e aquele recebido do Sol 6 Meteoróides transportam massa do cosmos para a Terra O SISTEMA TERRA É CONSTITUÍDO POR TODAS AS PARTES DE NOSSO PLANETA E SUAS INTERAÇÕES 7 O sistema do clima envolve grande troca de massa p ex água e energia p ex calor entre a atmosfera e a hidrosfera 8 bem como interações com a litosfera p ex exalação de gases pelos vulcões e erosão Atmosfera Hidrosfera Litosfera Astenosfera Manto Núcleo externo Núcleo interno SISTEMA DO CLIMA SISTEMA DAS PLACAS TECTÔNICAS SISTEMA DO GEODINÂMO 9 Os organismos vivos a biosfera ocupam parte da atmosfera da hidrosfera e da litosfera 10 A litosfera movese sobre porções do manto mais liquefeito afunda e é arrastada para a astenosfera 11 onde é movida para o manto inferior e emerge novamente num ciclo convectivo 12 O núcleo externo e o núcleo interno interagem no sistema do geodinamo que é responsável pelo campo magnético terrestre Figura panorâmica 110 Principais componentes e subsistemas do sistema Terra ver Quadro 12 As interações entre os componentes são governadas pela energia do Sol e do interior do planeta e organizadas em três geossistemas globais o sistema do clima o sistema das placas tectônicas e o sistema do geodinamo 38 Para Entender a Terra chega até o sistema Terra e a energia que o planeta irradia de volta para o espaço As transferências de massa entre a Terra e o espaço decresceram marcadamente depois do período de Bombardeamento Pesado mas ainda desempenham um papel ativo no sistema Terra é só perguntar aos dinossauros Embora pensemos a Terra como sendo um único sistema é um desafio estudála por inteiro de uma só vez Ao invés disso se enfocarmos nossa atenção em partes do sistema estaremos avançando no seu entendimento Por exemplo nas discussões sobre mudanças climáticas recentes consideraremos primeiramente as interações entre atmosfera hidrosfera e biosfera as quais são controladas pela energia solar Nossa abordagem sobre a formação dos continentes enfocará as interações entre a crosta e as porções mais profundas do manto que são controladas pela energia interna da Terra Os subsistemas específicos que encerram elementos característicos da dinâmica terrestre são chamados de geossistemas10 O sistema Terra pode ser pensado como uma coleção desses geossistemas abertos e interativos e freqüentemente se sobrepondo Nesta seção apresentaremos dois geossistemas importantes que operam numa escala global o sistema do clima e o sistema das placas tectônicas O terceiro sistema global é o do geodinamo o qual é responsável pelo campo magnético terrestre que trata de uma parte importante do funcionamento da Terra como planeta e também se constitui em um instrumentochave para explorar as camadas internas O geodinamo será discutido no Capítulo 21 A sua importância para a compreensão das placas tectônicas é discutida no Capítulo 2 Posteriormente ainda teremos ocasião de discorrer sobre diversos geossistemas menores Aqui estão três exemplos vulcões que expelem lava quente Capítulo 6 sistemas hidrológicos que nos proporcionam água para consumo Capítulo 13 e reservatórios de petróleo que fornecem óleo e gás Capítulo 22 O sistema do clima Tempo é o termo que usamos para descrever a temperatura a precipitação a nebulosidade e os ventos observados num ponto da superfície terrestre Todos sabemos o quanto o tempo pode ser variável quente e chuvoso num dia frio e seco no outro dependendo dos movimentos de sistemas de tempestades frentes frias e quentes e outras mudanças rápidas dos distúrbios atmosféricos Como a atmosfera é muito complexa mesmo os melhores meteorologistas têm dificuldades em prever o tempo com antecedência de mais de quatro ou cinco dias Entretanto podemos inferir como ele será em termos gerais num futuro bem mais distante pois o tempo predominante é governado principalmente pelas variações do influxo de energia solar nos ciclos sazonais e diários verões são quentes e invernos frios dias são quentes e noites mais frescas O clima é a descrição desses ciclos de tempo em termos das médias de temperatura e outras variáveis obtidas durante muitos anos de observação Além dos valores médios uma descrição completa do clima também inclui medidas de quanto tem sido a variação do tempo meteorológico tais como as temperaturas mais altas ou mais baixas já registradas num certo dia O sistema do clima inclui todas as propriedades e interações dos componentes dentro do sistema Terra necessárias para determinar o clima numa escala global e descobrir como ele muda com o tempo O problema é incrivelmente complicado porque o clima não é apenas o comportamento da atmosfera sozinha Ele é sensível a muitos outros processos envolvendo a hidrosfera a biosfera e a Terra sólida ver Figura panorâmica 110 Para entender essas interações os cientistas elaboram modelos numéricos sistemas climáticos virtuais em supercomputadores e comparam os resultados de suas simulações com os dados observados Em março de 2002 o Japão anunciou o maior e mais rápido computador do mundo o Simulador da Terra Earth Simulator dedicado à modelagem do clima terrestre e outros geossistemas Os cientistas ganham credibilidade quando seus modelos apresentam uma boa coincidência com os dados observados Eles utilizam os desajustes para identificar onde os modelos estavam errados ou incompletos Além disso esperam aperfeiçoar suficientemente os modelos por meio de testes feitos a partir de diversos tipos de observações de modo que possam fazer predições acuradas sobre como o clima mudará no futuro Um problema particularmente urgente é entender o aquecimento global que pode resultar das emissões de dióxido de carbono e outros gasesestufa gerados por atividades humanas Parte do debate público sobre o aquecimento global centrase sobre a precisão das predições computadorizadas Os céticos argumentam que mesmo os modelos computadorizados mais sofisticados não são confiáveis porque desconsideram várias feições do sistema Terra real No Capítulo 23 discutiremos alguns aspectos de como o sistema do clima funciona e os problemas práticos das mudanças climáticas causadas pelas atividades humanas O sistema das placas tectônicas Alguns dos mais dramáticos eventos geológicos do planeta erupções vulcânicas e terremotos por exemplo também resultam de interações dentro do sistema Terra Esses fenômenos são controlados pelo calor interno do globo que escapa por meio da circulação de material no manto sólido em um processo conhecido como convecção Vimos que a Terra é quimicamente zoneada sua crosta manto e núcleo são camadas quimicamente distintas que se segregaram durante a diferenciação primordial A Terra é também zoneada pela reologia ou seja pelos diferentes comportamentos materiais que apresenta ao resistir à deformação Por sua vez a deformação do material depende da composição química tijolos são frágeis barras de sabão dúcteis e da temperatura cera fria é frágil cera quente dúctil De certa forma a parte externa da Terra sólida comportase como uma bola de cera quente O resfriamento da superfície torna frágil a casca mais externa ou litosfera do grego lithos pedra a qual envolve uma quente e dúctil astenosfera do grego asthenes fracaza A litosfera inclui a crosta e o topo do manto até uma profundidade média de cerca de 100 km Quando submetida a uma força a litosfera tende a se comportar como uma casca rígida e frágil enquanto a astenosfera sotoposta flui como um sólido moldável ou dúctil De acordo com a notável teoria da tectônica de placas a litosfera não é uma casca contínua ela é quebrada em cerca de 12 grandes placas que se movem sobre a superfície terrestre com taxas de alguns centímetros por ano Cada placa atua co 1 A convecção move a água quente do fundo para o topo 2 onde ela se esfria movese lateralmente afunda 3 aquecese e novamente sobe 4 A matéria quente do manto ascende 5 levando as placas a se formar e divergir 6 Onde as placas convergem uma placa resfriada é arrastada sob a placa vizinha 7 mergulha aquecese e novamente sobe Figura 111 a A água fervendo é um exemplo familiar da convecção b Uma visão simplificada das correntes de convecção no interior da Terra 4570 milhões de anos atrás Ma Formação do Sol e disco de acrecimento 4560 Ma Acrescimento dos planetesimais início do acrescimento da Terra 4510 Ma Formação da Lua 4470 Ma Acrescimento da Terra formação do núcleo e diferenciação completadas 4400 Ma Grão mineral mais antigo 4000 Ma Fim do Bombardeamento Pesado rochas continentais mais antigas 3800 Ma Primeira evidência de água 3500 Ma Primeira evidência de vida 2500 Ma Completada a principal fase de formação dos continentes 24502200 Ma Oxigenação da atmosfera 2200 Ma Desenvolvimento de células com núcleo 565 Ma Distribuição mundial de organismos multicelulares 700 Ma O gelo cobriu toda a Terra 545530 Ma Big Bang evolutivo 500 439 Ma Extinção em massa 420 Ma Animais terrestres mais antigos 324 Ma Extinção em massa 250 Ma Extinção em massa 208 Ma Extinção em massa 125 Ma Plantas florescentes mais antigas 65 Ma Extinção em massa 5 Ma Primeiros hominídeos 012 Ma Primeiro aparecimento de nossa espécie Homo sapiens sapiens Figura 112 A fita do tempo geológico desde a formação do sistema solar até o presente medida em bilhões de anos e marcada por alguns dos principais eventos e transições da história da Terra Nossos hominídeos ancestrais tornaramse evidentes no registro geológico há cerca de 5 milhões de anos somente um décimo de 1 da idade total da Terra O intervalo de existência humana cerca de 120 mil anos 1 é menor que a espessura da linha no fim da fita Alguns eventos aqui mostrados são especulativos e muitos têm idade imprecisa indícios dos pioneiros da vida no planeta Alguns desses comportamentos tiveram influência global resultando em uma progressiva oxigenação da atmosfera e do oceano durante os 2 bilhões de anos seguintes Ao decifrar esse registro geológico podemos reconstruir a história da evolução biológica A evolução da vida Todos os organismos vivos e a matéria orgânica que produzem considerados como uma coisa só constituem a biosfera do grego bios vida da Terra A evolução da vida envolveu interações complexas entre biosfera atmosfera hidrosfera e litosfera O início da vida Há pouco mais de 4 bilhões de anos a atmosfera e a hidrosfera primitivas da Terra já tinham se formado Gases leves como o hidrogênio escaparam para o espaço deixando para trás gases mais pesados como vapor dágua dióxido de carbono e dióxido de enxofre Essa atmosfera primitiva permitiu que quase todos os componentes da luz solar alcançassem a superfície terrestre incluindo os raios ultravioleta UV os quais são danosos para a vida Na mesma época havia dióxido de carbono e vapor dágua suficientes para aprisionar o calor que se irradiava da superfície mantendo a Terra quente Esse fenômeno é conhecido como efeito estufa pois guarda analogia com o aquecimento de uma estufa onde o vidro deixa a luz passar enquanto pouco calor consegue sair De algum modo a vida iniciou no efeito estufa da Terra apesar da intensa radiação UV e da atmosfera hostil pobre em oxigênio Evidências diretas embora atualmente questionadas residem na preservação dos primeiros fósseis traços de organismos de épocas geológicas passadas preservados na crosta Fósseis de bactérias primitivas foram encontrados em rochas datadas de 35 bilhões de anos Uma linha de evidências mais efetiva embora indireta é fornecida pela composição da matéria orgânica preservada nas rochas dessa idade Esses remanescentes químicos dos organismos antigos estão rapidamente ultrapassando a evidência fóssil como sendo a principal base para o entendimento da evolução primitiva da vida na Terra Há uma forte probabilidade entretanto de que a vida tenha originadose em época anterior talvez há 4 bilhões de anos ou mesmo antes O primeiro degrau até a evolução da bactéria primitiva é pensado como sendo a reunião de grandes moléculas de bases como o metano e a amônia A energia para essas transformações foi suprida pela forte radiação UV Esse degrau tem sido explorado em muitos experimentos químicos que mostram como esses diversos tijolos fundamentais da vida poderiam ter se formado De alguma maneira essas moléculas orgânicas agregaramse e formaram sistemas capazes de crescer e metabolizar Esses sistemas não eram propriamente a vida pois não se reproduziam de sorte que são chamados de protovida Alguns cientistas argumentam que a protovida foi concentrada em nascentes quentes alimentadas por vulcões no assoalho do oceano O próximo degrau crítico foi o desenvolvimento da primeira molécula verdadeiramente autoreplicável o ácido ribonucleico RNA Essa molécula com uma única cadeia de nucleotídeos assim como seu primo com duas cadeias o ácido desoxirribonucleico DNA é envolvida intimamente no processo de autoreplicação O mundo do RNA foi transitório e logo evoluiu para o mundo do DNA mais complexo o qual caracterizou a biosfera pelo resto da história geológica Nem todos os cientistas aprovam essas hipóteses Muitos deles acreditam que o impacto de cometas trouxe para a Terra não apenas os gases da atmosfera e os oceanos mas também a própria vida De acordo com essa visão a vida na Terra iniciou quando cometas caíram bolas de gelo e gases congelados e colonizaram o planeta Um cientista propôs que o constante bombardeamento da Terra nesses tempos iniciais pode muito bem ter destruído a vida logo depois que ela fora sintetizada Se isso de fato ocorreu a vida teria renascido diversas vezes Esses estágios primitivos da origem da vida provavelmente não afetaram de modo importante a atmosfera a qual permaneceu composta dominantemente por nitrogênio e dióxido de carbono O oxigênio tornase o principal gás da atmosfera Os organismos primitivos devem ter fornecido quantidades relativamente pequenas de matéria orgânica produzida por processos químicos inorgânicos ou reciclada de outros organismos A principal mudança ocorreu quando a vida evoluiu para fazer seu próprio alimento por meio da fotossíntese Esse é o processo pelo qual as plantas e outros organismos verdes utilizam a clorofila que os colore de verde e a energia da luz solar para produzir carboidratos a partir do dióxido de carbono e da água A evolução da fotossíntese no início da história geológica da Terra teve imensas consequências Um produto derivado da fotossíntese é o oxigênio O2 À medida que a matéria orgânica da vida fotossintética era soterrada o carbono era removido da atmosfera e o oxigênio acumulado A partir das evidências fósseis parece que processos semelhantes ocorreram há 25 bilhões de anos Os geólogos encontraram rochas de ferro bandeado muito antigas com idade de 25 bilhões de anos que foram oxidadas enferrujadas durante sua formação indicando que havia mais oxigênio na atmosfera naquele tempo O aumento para os atuais níveis de oxigênio atmosférico é agora pensado como o resultado de uma série de etapas crescentes ocorridas num período de tempo de pelo menos 2 bilhões de anos Quando as moléculas de oxigênio atmosférico difundiramse para a estratosfera atmosfera superior foram transformadas pela radiação solar em ozônio O3 criando uma camada estratosférica de ozônio A camada de ozônio absorve certas porções de radiação UV antes que atinjam a superfície onde poderiam prejudicar e causar mutações nas células de animais e plantas Sem esse escudo protetor a vida não teria florescido na terra O Big Bang biológico Comparada com a vida atual a vida no início da Terra era uma coisa primitiva consistindo basicamente em pequenos organismos unicelulares que flutuavam próximo à superfície dos oceanos ou viviam no fundo dos mares Entre 1 e 2 bilhões de anos atrás a vida tornouse multicelular quando algas e algas marinhas foram originadas Então por razões não muito bem entendidas os primeiros animais entraram em cena há cerca de 600 milhões de anos evoluindo numa sequência de ondas A primeira onda produziu formas simples semelhantes a águasvivas e a samambaias com corpos leves bem como seres de corpo duro com formas lembrando ta Namacalathus Hallucigenia Trilobitas Figura 113 Os fósseis que registram a explosão do Cambriano incluem fósseis calcificados do PréCambriano esquerda que foram os primeiros organismos a utilizar calcita na produção da concha Eles foram extintos no limite PréCambrianoCambriano junto com outros organismos e abriram caminho para outro estranho grupo de novos organismos incluindo o Hallucigenia centro e os mais familiares trilobitas direita Esses dois últimos formaram carapaças frágeis de material orgânico similar às unhas Esquerda topo John Grotzinger embaixo W A Watters Topo centro Museu Nacional de História NaturalSmithsonian Institution embaixo Chase StudioPhoto Researchers Direita topo Cortesia do Musée cantonal de géologie Lausanne Fotografia de Stefan Ansermet embaixo Chase StudioPhoto Researchers ças de vinho com buracos ver Figura 113 Muito rapidamente foram extintas embora poucas possam ter servido como protótipos para uma segunda onda a qual constituiu a maior diversificação de novas formas de vida na história da Terra Num breve período iniciado há 543 milhões de anos e provavelmente com uma duração menor que 10 milhões de anos oito ramos filos inteiramente novos do reino animal foram estabelecidos incluindo os ancestrais de quase todos os animais que conhecemos hoje Esses organismos formavam um zoológico de bestas estranhas descritas pelo ensaísta científico Steven J Gould como se fossem coisas de filme de ficção científica Uma criatura particularmente bizarra foi chamada de Hallucigenia ver Figura 113 Formas mais familiares incluem vermes terrestres e seus correlativos marinhos estrelasdomar e bolachasdapraia12 moluscos insetos crustáceos e os cordados que finalmente evoluíram para os animais superiores inclusive nós Outros tipos de animais agora extintos tais como os trilobitas com sua aparência primitiva ver Figura 113 também passaram a existir Foi durante essa explosão evolutiva às vezes referida como Big Bang grande explosão da biologia que animais cujo corpo continha partes duras e ricas em cálcio deixaram pela primeira vez carcaças fósseis no registro geológico Extinções em massa por eventos extremos Embora a evolução biológica seja comumente vista como um processo muito lento as tendências evolutivas mais amplas foram freqüentemente pontuadas por breves períodos de mudança rápida Um primeiro exemplo notável é o da explosão evolutiva que acabamos de descrever Igualmente espetaculares foram as extinções em massa durante as quais muitos tipos de animais e plantas desapareceram subitamente do registro geológico Cinco dessas imensas reviravoltas estão indicadas na Figura 112 A última já discutida neste capítulo foi causada pelo impacto de um grande bólido há 65 milhões de anos Esse evento extremo encerrou a Idade dos Dinossauros As comunidades bentônicas dos recifes também foram extintas e reorganizadas Formas pelágicas grandes do mar azul profundo foram varridas junta mente com a maioria de outros produtores primários Esses eventos fizeram com que algumas pessoas os chamassem de Oceano do estranho amor13 As causas das outras extinções ainda estão sendo debatidas Além do impacto de bólidos os cientistas têm proposto outros tipos de eventos extremos como variações climáticas rápidas ocasionadas por glaciações e enormes erupções de material vulcânico As evidências são freqüentemente ambíguas ou inconsistentes Por exemplo o maior evento de extinção de todos os tempos ocorreu há cerca de 250 milhões de anos quando 95 de todas as espécies Um impacto de um bólido tem sido proposto por alguns investigadores mas o registro geológico mostra que as capas de gelo se expandiram nessa época e que houve mudança da composição química da água do mar o que seria consistente com uma grande crise climática Simultaneamente uma enorme erupção vulcânica cobriu uma área na Sibéria com quase a metade do tamanho dos Estados Unidos com 2 ou 3 milhões de quilômetros cúbicos de lava Essa extinção em massa foi batizada de Assassino do Expresso Oriente14 pois existem muitos suspeitos Neste capítulo introdutório tratamos de muitos tópicos que serão desenvolvidos mais completamente nos próximos capítulos Começamos discutindo como os cientistas pensam e trabalham e então descreveremos como eles têm desenredado a história do nosso planeta e de seus sistemas interativos Acompanhamos essa história desde o início ardente da Terra e suas mudanças ao longo do tempo geológico e desde a origem da vida até o aparecimento dos seres humanos Nem todos os tópicos resumidos nesta introdução sobreviverão sem mudanças nas próximas décadas ou talvez até a próxima edição deste livro A Geologia está passando por um período de intensas pesquisas feitas pelos seus estudiosos que preencherão os detalhes afastando as hipóteses existentes e apresentando outras novas com seu empenho por novos conhecimentos RESUMO O que é Geologia Geologia é a ciência que trata da Terra sua história composição e estrutura interna e suas feições superficiais Como os geólogos estudam a Terra Os geólogos como outros cientistas utilizam o método científico Eles compartilham os dados que obtiveram e verificam mutuamente seus trabalhos Uma hipótese é uma tentativa de explicação de um conjunto de dados Se ela é confirmada repetidamente pelos experimentos de outros cientistas então pode ser elevada à condição de teoria Muitas teorias são abandonadas quando trabalhos experimentais subseqüentes mostram que eram falsas A credibilidade cresce naquelas que resistem repetidamente aos testes e são capazes de predizer os resultados de novos experimentos Como se originou o nosso sistema solar O Sol e sua família de planetas provavelmente se formaram quando uma nuvem primordial de gás e poeira cósmica se condensou há cerca de 45 bilhões de anos Os planetas variam sua composição química de acordo com sua distância do Sol e com o seu tamanho Como a Terra se formou e evoluiu através do tempo A Terra provavelmente aumentou por acréscimo de matéria colidente Logo depois de formada ela foi impactada por um bólido gigantesco A matéria ejetada para o espaço tanto da Terra como do bólido agregouse para formar a Lua O impacto fundiu grande parte da Terra A radioatividade também contribuiu para o aquecimento e a fusão inicial A matéria mais pesada rica em ferro afundou para o centro da Terra e a matéria mais leve ascendeu para formar as camadas mais externas que constituíram a crosta e os continentes O escape de gases contribuiu para a formação dos oceanos e da atmosfera primitiva Dessa forma a Terra foi transformada em um planeta diferenciado com distintas zonas químicas um núcleo de ferro um manto predominantemente de magnésio ferro silício e oxigênio e uma crosta rica em elementos leves como oxigênio silício alumínio cálcio potássio e sódio e em elementos radioativos Quais são os elementos básicos da tectônica de placas A litosfera não é uma casca contínua ela é fragmentada em cerca de 12 grandes placas Governadas pela convecção do manto as placas movemse ao longo da superfície da Terra com taxas de alguns centímetros por ano Cada placa atua como uma unidade rígida distinta arrastandose sobre a astenosfera a qual também está em movimento O material quente que ascende do manto solidificase onde as placas da litosfera se separam A partir disso esfria e tornase mais rígido à medida que se afasta desse limite divergente Por fim a placa afunda na astenosfera arrastando material de volta para o manto nos bordos onde as placas convergem Como fazemos para estudar a Terra como um sistema de componentes interativos Quando tentamos entender um sistema complexo como a Terra freqüentemente consideramos que é mais simples fragmentálo em vários subsistemas geossistemas para analisar como trabalham e interagem uns com os outros Dois dos principais sistemas globais são o climático que envolve interações controladas pelo calor do Sol principalmente entre a atmosfera a hidrosfera e a biosfera e o sistema das placas tectônicas que envolve interações predominantemente entre os componentes sólidos da Terra litosfera astenosfera e todo o manto controladas pelo calor interno do planeta Quais são os principais eventos da história da Terra A Terra formouse como planeta há 45 bilhões de anos Rochas com até 4 bilhões de anos foram preservadas na sua crosta A evidência mais antiga de vida foi encontrada em rochas com idade de cerca de 35 bilhões de anos Há cerca de 25 bilhões de anos a quantidade de oxigênio na atmosfera aumentou devido à fotossíntese dos vegetais primitivos Os animais apareceram repentinamente há cerca de 600 milhões de anos diversificandose rapidamente numa grande explosão evolutiva A subseqüente evolução da vida foi marcada por uma série de extinções em massa a última delas causada pelo impacto de um grande bólido há 65 milhões de anos o qual aniquilou os dinossauros Nossa espécie apareceu há cerca de 40 mil anos15 Conceitos e termoschave astenosfera p 38 biosfera p 40 bólido p 27 crosta p 31 diferenciação p 30 fósseis p 41 geossistemas p 38 hidrosfera p 38 hipótese da nebulosa p 28 litosfera p 38 manto p 32 método científico p 26 núcleo p 31 princípio do uniformitarismo p 27 sistema do clima p 38 sistema da tectônica de placas p 39 sistema Terra p 36 tectônica de placas p 38 Exercícios Este ícone indica que há uma animação disponível no sítio eletrônico que pode ajudálo na resposta 1 Qual é a diferença entre experimento hipótese teoria e fato 2 Que fatores tornaram a Terra um lugar particularmente agradável para a vida desenvolverse 3 Como e por que os planetas interiores diferem dos planetas gigantes exteriores 4 O que causou a diferenciação da Terra e qual foi o resultado 5 Como a composição química da crosta da Terra difere daquela das zonas mais profundas E daquela do núcleo 6 Como a visão da Terra em termos de um sistema de componentes interativos nos ajuda a entender nosso planeta Dê um exemplo de interação entre um ou mais geossistemas 7 Descreva a idéia central da teoria da tectônica de placas 3 Se um enorme impacto como o que formou a Lua ocorrisse depois do estabelecimento da vida na Terra quais seriam as consequências 4 Se você fosse um astronauta prestes a aterrissar num planeta inexplorado como poderia decidir se tal planeta foi diferenciado e além disso se foi geologicamente ativo 5 Como diferem os termos tempo e clima Expresse as relações entre clima e tempo como uma simples equação de palavras O clima equivale a x do tempo ocorrido durante y anos 6 Nem todos os planetas têm um geodinamo Por quê Se a Terra não tivesse um campo magnético o que poderia ser diferente 7 Sabendo como a Lua foi formada que resultados você esperaria encontrar se alguém lhe informasse que um grande meteorito colidiu com um planeta duas vezes maior que ele Qual poderia ser o dessa colisão na composição interna do planeta Em que o resultado do impacto seria diferente se o meteoro fosse significativamente menor que o planeta Sugestões de leitura Ahrens T J 1994 The origin of the Earth Physics Today 47 3845 Allegre C 1992 From Stone to Star Cambridge Mass Harvard University Press Alley Richard B 2001 The key to the past Nature 409 289 Becker L 2002 Repeated blows Scientific American March 7783 Cole G H A 2001 Exoplanets Astronomy and Geophysics February 113117 Doyle L R Deeg H J and Brown T M 2000 Searching for shadows of other Earths Scientific American July 6065 Exploring Space 1990 Scientific American Special Issue Golombeck M P 1998 The Mars Pathfinder mission Scientific American July 4049 Hallam A 1973 A Revolution in the Earth Sciences From Continental Drift to Plate Tectonics Oxford Clarendon Press Halliday A N and Drake M J 1999 Colliding theories origin of Earth and Moon Science 283 18611864 Kerr R A 2001 Rethinking water on Mars and the origin of life Science 292 3940 Lissauer J J 1999 How common are habitable planets Nature 402 C11C13 Merrits D de Wet A and Menking K 1998 Environmental Geology New York W H Freeman NASA 2002 Living on a Restless Planet Pasadena CA Jet Propulsion Laboratory Ver também httpsolidearthjplnasagov National Academy of Sciences 1999 Science and Creationism Washington DC National Academy Press National Academy of Sciences 1998 Teaching About Evolution and the Nature of Science Washington DC National Academy Press National Research Council 1993 SolidEarth Sciences and Society Washington DC National Academy Press Roberts F 2001 The origin of water on Earth Science 293 10561058 Scientific American 2000 The Frontiers of Space New York Scientific American Press Smith D E et al 1999 The global topography of Mars and implications for surface evolution Science 284 14951503 Stanley S M 1999 Earth System History New York WH Freeman Westbroek P 1991 Life as a Geologic Force New York W W Norton Wetherill G W 1990 Formation of the Earth Annual Review of Earth Planetary Sciences 8 205256 Woolfson M 2000 The origin and evolution of the solar system Astronomy and Geophysics 41 12118 Sugestões de leitura em português Allègre C 1987 Da pedra à estrela Lisboa Dom Quixote Allègre C 1992 Introdução a uma história natural Do big bang ao desaparecimento do homem Lisboa Teorema Bowker G 1996 As origens do uniformitarismo de Lyell passa uma nova Geologia In Serres M dir 1996 Elementos para uma história das Ciências III Da nova geologia ao computador Lisboa Terramar p 727 Chalmers A 1995 O que é a ciência afinal São Paulo Brasilense Cordani U G 2000 O planeta Terra e suas origens In Teixeira W Toledo M C M de Fairchild T R e Taioli F orgs 2000 Decifrando a Terra São Paulo Oficina de Textos p 126 Gleiser M 1997 A dança do universo dos mitos de criação ao big bang São Paulo Companhia das Letras Gohau G 1987 História da Geologia Lisboa EuropaAmérica Gould S J 1990 Vida Maravilhosa O acaso na evolução e a natureza da história São Paulo Companhia das Letras Gould S J 1991 Seta do tempo ciclo do tempo São Paulo Companhia das Letras Massambani O e Mantovani M S orgs 1997 Marte novas descobertas São Paulo Instituto Astronômico e Geofísico da USP Mourão R R de F 1997 Da Terra às galáxias uma introdução à Astrofísica Petrópolis RJ Vozes Rossi P 1992 Os sinais do tempo história da Terra e história das noções de Hooke a Vico São Paulo Companhia das Letras Sagan C Cosmos Rio de Janeiro Francisco Alves Weiner J 1986 Planeta Terra São Paulo Martins Fontes Notas de tradução 1 A área do Texas 692408 km² equivale aproximadamente à soma das áreas de Minas Gerais 587172 km² e de quase a metade do estado de São Paulo cuja área total é de 247892 km² 2 TNT é a sigla de trinitrotolueno C7H5O6N3 3 A inclinação do eixo da Terra varia de 215º a 245º a cada 21 mil anos sendo conhecida como variação da obliquidade A inclinação atual é de 235º 4 Nesta coluna o exemplo tanto pode se referir a uma ocorrência histórica como a corpos celestes atuais que têm o tamanho da respectiva categoria 5 O número 4 indica a quantidade conhecida de asteroides do mesmo tamanho de Vesta cujo raio é de 269 km 6 KT limite entre o Cretáceo e o Terciário 7 No original Some say the world will end in fire Some say in ice From what Ive tasted of desire I hold with those who favor fire But if I had to perish twice I think I know enough of hate To say that for destruction ice Is also great And would suffice 8 Esse limite é conhecido como descontinuidade de Gutenberg 9 Embora o esquema seja descritivo devido a limitações de espaço há claras relações sistêmicas entre a biosfera a atmosfera a hidrosfera e a litosfera Os organismos vivos resultam da dinâmica das interfaces entre esses componentes mais do que ocuperam parte dos mesmos A evolução da biosfera procura adaptarse a essa dinâmica ao mesmo tempo em que também a modifica segundo processos de retroalimentação conforme será discutido nos Capítulos 18 e 23 10 O conceito de geossistema foi criado por Sotchava na década de 1960 e posteriormente sistematizado por Bertrand cujas obras foram traduzidas e introduzidas no meio científico brasileiro na década seguinte Ver Sotchava V B 1977 O estudo de geossistemas São Paulo Instituto de Geografia da USP Bertrand G 1972 Paisagem e Geografia Física global esboço metodológico São Paulo Instituto de Geografia da USP e também Monteiro C A F 2000 Geossistemas a história de uma procura São Paulo ContextoIGEAUSP 11 Os autores referemse apenas ao Homo sapiens sapiens moderno O Homo habilis a primeira espécie humana surgiu há cerca de 28 milhões de anos na África 12 Ouriçosdomar irregulares Euequinóides com disco achatado também conhecidos como corupio corupiodomar e ouriçoescudo 13 Em inglês Strangelove Sea referese ao Dr Strangelove personagem de uma comédia de Stanley Kubrick que ante a iminência de uma guerra atômica entre a exUnião Soviética e os Estados Unidos propõe um plano para salvar parte da raça humana numa mina profunda 14 Os autores referemse ao filme Assassinato no Expresso Oriente 15 Os autores referemse ao Homo sapiens sapiens moderno A espécie humana surgiu há 28 Ma