UNESP Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá Guaratinguetá 2008 GRETTA LARISA AURORA ARCE FERRUFINO UMA MODELAGEM DE SEQÜESTRO E ARMAZENAMENTO DE DIÓXIDO DE CARBONO ATMOSFÉRICO Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica na área de Transmissão e conversão de Energia. Orientador: Prof. Dr. João Andrade de Carvalho Jr. Co-Orientador: Prof. Dr. Luiz Fernando Costa Nascimento Guaratinguetá – São Paolo 2008 F398m Arce Ferrufino, Gretta Larisa Aurora Uma modelagem de seqüestro e armazenamento de dióxido de carbono atmosférico / Gretta Larisa Aurora Arce Ferrufino . – Guaratinguetá : [s.n.], 2008 147 f. : il. Bibliografia: f. 109-117 Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2008 Orientador: Prof. Dr. João Andrade de Carvalho Junior Co-orientador: Prof. Dr. Luiz Fernando Costa Nascimento 1. Dióxido de carbono I. Título CDU 622.324.6 UNESP UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá "MODELAGEM DE SEQÜESTRO E ARMAZENAMENTO DE DIÓXIDO DE CARBONO ATMOSFÉRICO" GRETTA LARISA AURORA ARCE FERRUFINO ESTA TESE FOI JULGADA ADEQUADA PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE “MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA” PROGRAMA: ENGENHARIA MECÂNICA ÁREA: TRANSMISSÃO E CONVERSÃO DE ENERGIA APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PÓS- GRADUAÇÃO Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira Coordenador BANCA EXAMINADORA: Prof. Dr. João Andrade de Carvalho Jr. Orientador/UNESP-FEG Prof. Dr. Jose Antonio Perella Ballestieri UNESP-FEG Prof. Dr. Maria Paulette Pereira Martins Jorge INPE Dezembro de 2008 DADOS CURRICULARES GRETTA LARISA AURORA ARCE FERRUFINO NASCIMENTO 31.01.1982 – COCHABAMBA / BOLIVIA FILIAÇÃO Wilber Nerio Arce Macedo Carmen del Rosário Miriam Ferrufino Aragón 2000/2004 Curso de Graduação em Engenharia Química Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión Facultad de Ingeniería Química y Metalúrgia Huacho – Perú Dedico este trabalho, a meu pai Nerio, pelo carinho, amor, apoio que vem me dando nestes últimos anos e de modo especial a minha mãe Miriam, pelo amor incondicional e dedicação que ela sempre me deu durante toda a vida. AGRADECIMENTOS Agradeço em primeiro lugar a Deus e à Virgem por dar me a força para prosseguir ainda nos momentos de fraqueza. Agradeço a meus pais por estarem sempre comigo, por me darem a coragem, a força e as asas para poder conseguir meus sonhos. Aos meus orientadores, Prof. Dr. João Andrade de Carvalho Jr., e Prof. Dr. Luis Fernando Costa de Nascimento, pela ajuda e indicação para percorrer o caminho, por seus conhecimentos outorgados e pelo incondicional apoio brindado, as quais foram de muita ajuda para a culminação do estudo. De uma maneira muito especial, a Carlos Manuel por sempre contar com seu apoio e carinho. Assim como também, pelos conselhos dados como meu amigo, meu colega e como meu namorado no transcurso destes anos. Tenho que agradecer de forma muito especial a Edgar por ser uma grande pessoa e amigo, porque ele é uma das pessoas que me ajudaram a cumprir com este objetivo e por ser meu exemplo de humildade e grandeza. As minhas amigas: Dione, por sua alegria e Juliana, por sua companhia na república, por ser uma irmã, por ser minha confidente, pelos momentos de alegria e por seus conselhos. Em especial agradeço a Dona Nair (em memória) por seus conselhos como mãe e a acolhida na sua casa no primeiro mês que cheguei ao Brasil, por me fazer parte dela. Às senhoritas da biblioteca e às secretárias da pós-graduação, pela dedicação e alegria no atendimento. Em geral, a todos os companheiros e professores do Departamento de Energia que direta ou indiretamente colaboraram para a execução deste trabalho. Este trabalho contou com apoio da Coordenação de aperfeiçoamento de pessoal de Nível Superior – CAPES, através da Bolsa de Estudos Institucional. Caminante, son tus huellas el camino y nada más; caminante, no hay camino, se hace camino al andar.. Caminante, no hay Camino, Sino estrellas en el mar. Antonio Machado 1875-1939 FERRUFINO, G. L. A. A. Uma modelagem de seqüestro e armazenamento de dióxido de carbono atmosférico. Guaratinguetá, 2008. 171 f. Tese (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista. RESUMO O dióxido de carbono (CO2) é um importante gás de efeito estufa. No entanto, um aumento gradual ameaça substancialmente o clima. Um dos principais desafios do planejamento ambiental é identificar um modelo que vincule todos os fatores do ciclo de carbono, ou seja, oceano – ecossistema terrestre – emissão antropogênica – atmosfera. Princípios básicos de Termodinâmica podem ser aplicados em uma modelagem estatística com bases em séries históricas para obter concentrações de CO2 na atmosfera, possibilitando a construção de cenários para uma melhor tomada de decisões. Por este motivo, foi desenvolvido no trabalho um modelo que interliga todos os fatores do ciclo de carbono, focalizando em quatro zonas térmicas ou climáticas (Boreal, Temperada, Tropical, Polar), para cálculos de armazenamento de CO2 atmosférico. Os resultados mostram que no ano 2100 se atingirá uma concentração de CO2 quatro vezes maior do que antes do período pré-industrial. A zona temperada emite quase a metade de dióxido de carbono à atmosfera na atualidade; para o ano 2100, essa emissão aumentará a quinze vezes mais que a zona tropical. A China será responsável em uma proporção de vinte quatro a onze com relação aos Estados Unidos. A estabilização das concentrações de CO2 na atmosfera será obtida quando as emissões de dióxido de carbono antropogênico tiverem uma diminuição de mais do que trinta e quatro por cento para o ano 2100 na zona temperada. PALAVRAS-CHAVE: Dióxido de carbono, Ciclo de Carbono, Modelo para Dióxido de Carbono. FERRUFINO, G. L. A. A. A sequestration and storage model of atmospheric carbon dioxide. Guaratinguetá, 2008. 171 p. Thesis (Master in Mechanical Engineering) – Guaratinguetá’s Faculty of Engineering, University São Paolo State. ABSTRACT Carbon dioxide (CO2) is the most important greenhouse gas. A gradual increase on its atmospheric concentration threatens significantly the climate. One of the main challenges of environment planning is to identify a model that connects all factors that determine the carbon cycle, that is, ocean – terrestrial ecosystem – anthropogenic emissions – atmosphere. Basic thermodynamic principles can be applied in a statistical modeling with historic time series to obtain atmospheric CO2 concentration, creating the possibility of construction of scenarios that will help decision making. A model that links all carbon cycle factors was developed in this dissertation work, focusing in four thermal of climatic zones (Boreal, Temperate, Tropical, and Polar) for calculations of atmospheric CO2 storage. Results show that in 2100, the atmospheric CO2 concentration will reach a value four times higher than that of the pre-industrial period. The temperate zone already emits almost half of the carbon dioxide to the atmosphere; by 2100, this emission will increase 15 times more than that corresponding to the tropical zone. China will be responsible for emissions in a proportion of 24 to 11 in comparison to that of the United States. Stabilization of CO2 concentrations in the atmosphere will be obtained when the anthropogenic carbon dioxide emissions attain a decrease of at least 34% in 2100 in the temperate zone. KEYWORDS: Carbon dioxide, carbon cycle, carbon dioxide model. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1.1 – 100 anos de Emissões de dióxido de carbono ................................. ..3 FIGURA 1.2 – Variações das concentrações de dióxido de carbono ...................... ..6 FIGURA 2.1 – Reservatórios do ciclo natural do carbono ...................................... 10 FIGURA 2.2 – Ciclo do Carbono e suas interações entre reservatórios de CO2 ..... 11 FIGURA 2.3 – Floresta Boreal “Coníferas Pinus Strobus”. .................................... 14 FIGURA 2.4 – Floresta Temperada “Decíduos Oak-Hickory” .............................. 15 FIGURA 2.5 – Floresta Tropical “Floresta úmida perto de Manaus Brasil” ........... 17 FIGURA 2.6 – Índice Biológico vegetativo global (IBVG) para os meses Julho- Agosto (2004) ....................................................................... 18 FIGURA 2.7 – Índice Biológico vegetativo global (IBVG) para os meses Janeiro- Fevereiro (2004) .............................................................................. 18 FIGURA 2.8 – A grande correia de transporte oceânica ......................................... 20 FIGURA 2.9 – Fenômenos da circulação oceânica, Upwelling Costeiro ................ 21 FIGURA 2.10 – Fenômenos da circulação oceânica, Upwelling equatorial ........... 23 FIGURA 2.11 – Fenômenos da circulação oceânica, Upwelling do Oceano Sul .... 23 FIGURA 2.12 – Esquema do processo “Bomba Biológica”. ................................... 26 FIGURA 2.13 – Formação da camada de mistura num regime turbulento .............. 28 FIGURA 2.14 – Circlação Atmosferica ................................................................... 29 FIGURA 2.15 – Identificação dos sistemas para o balanço de massa ..................... 31 FIGURA 2.16 – Processo de intercâmbio de CO2 do ecossistema terrestre – atmosfera ....................................................................................... 34 FIGURA 2.17 – Distribuição de p(CO2) de águas superficiais para fevereiro de 1995 .......................................................................................... 40 FIGURA 2.18 – Distribuição de p(CO2) de águas superficiais para agosto de 1995 (uatm) ................................................................................... 40 FIGURA 2.19 – Fonte de energia primaria mundial em Gtn. óleo equivalente ...... 43 FIGURA 2.20 – Fontes de energia primaria mundial .............................................. 43 FIGURA 2.21 – 10 Paises com maiores emissões de dióxido de carbono no ano 2005 em TgC ..................................................................... 44 FIGURA 2.22 – Emissões por pessoa para os 10 maiores paises consumidores de energia no mundo em TgC ........................................................... 45 FIGURA 2.23 – Incremento das emissões de CO2 globais ...................................... 46 FIGURA 3.1 – Mapa mundial com a zona Tropical “linha vermelha” .................... 51 FIGURA 3.2 – Mapa mundial com a zona Temperada “linha vermelha”. .............. 53 FIGURA 3.3 – Mapa indicando as regiões polares do mundo ................................. 55 FIGURA 3.4 – Concentrações de CO2 atmosféricos em Barrow Alasca ................. 64 FIGURA 3.5 – Concentrações de CO2 atmosféricos em Mauna Loa ...................... 65 FIGURA 3.6 – Concentrações de CO2 atmosférico em Samoa Americana ............. 65 FIGURA 3.7 – Concentrações de CO2 atmosférico em Pólo Sul ............................ 66 FIGURA 4.1 – Esquema do processo de tradução ................................................... 67 FIGURA 4.2 – Comparação de dados reais (marrão) com o modelo teórico (vermelho) para a estação BARROW ALASKA ............................. 78 FIGURA 4.3 – Comparação de dados reais (roxo) com o modelo teórico (vermelho) para a estação MAUNA LOA ....................................... 79 FIGURA 4.4 – Comparação de dados reais (verde) com o modelo teórico (vermelho) para a estação SAMOA AMERICANA ....................... 79 FIGURA 4.5 – Comparação de dados reais (azul) com o modelo teórico (vermelho) para a estação PÓLO SUL ............................................ 80 FIGURA 5.1 – Primeiro Cenário, resposta do modelo à tendência atual de emissões de dióxido de carbono ................................................ 95 FIGURA 5.2 – Comportamento das emissões antropogênicas para o primeiro cenário ............................................................................................. 96 FIGURA 5.3 – Fluxo do ecossistema terrestre – Atmosfera global e por zonas ..... 97 FIGURA 5.4 – Concentrações de dióxido de carbono atmosférico (Cenário Segundo) .......................................................................... 99 FIGURA 5.5 – Cenário de emissões de dióxido de carbono antropogênicas (Cenário Segundo) ........................................................................... 99 FIGURA 5.6 – Concentrações de dióxido de carbono atmosférico (Cenário terceiro) ............................................................................ 101 FIGURA 5.7 – Emissões de dióxido de carbono antropogênico (Cenário terceiro) ............................................................................. 101 FIGURA 5.8 – Concentrações de dióxido de carbono atmosférico (Cenário quarto) ............................................................................... 103 FIGURA 5.9 – Emissões de dióxido de carbono antropogênico (Cenário quarto) ............................................................................... 103 FIGURA 5.10 – Concentrações de dióxido de carbono atmosférico (Quinto cenário) ............................................................................. 105 FIGURA 5.11 – Emissões de dióxido de carbono antropogênico (Quinto cenário) ............................................................................. 105 LISTA DE TABELAS TABELA 1.1 – Uma aproximação das cargas de carbono globais para as duas décadas passadas ............................................................................ ..4 TABELA 2.1 – Composição oceânica em proporção molar de sódio. .................... 19 TABELA 2.2 – Química do carbono nos oceanos. .................................................. 24 TABELA 2.3 – Composição média do ar seco no nível do mar .............................. 27 TABELA 3.1 – Emissões de CO2 da queima de combustíveis fosseis as zonas climáticas .............................................................................. 57 TABELA 3.2 – Emissões de CO2 oriundas da mudança de uso de solos ................ 58 TABELA 3.3 – Estimativa de carbono nos três sítios florestais .............................. 59 TABELA 3.4 – Superfície e variação da coberta florestal. ...................................... 60 TABELA 3.5 – Fluxo de dióxido de carbono entre o ecossistema terrestre e atmosfera ........................................................................................ 61 TABELA 3.6 – Fluxo de dióxido de carbono oceano-atmosfera ............................. 63 TABELA 3.7 – Estações de monitoramento ............................................................ 64 TABELA 4.1 – Constantes da equação de Sazonalidade para cada estação. ........... 77 TABELA 4.2 – Constantes das equações das tendências para cada estação. .......... 78 TABELA 4.3 – Dados das constantes para as equações 4.18- 4.20 para cada uma das zonas térmicas .................................................................. 83 TABELA 4.4 – Constantes das equações da variabilidade sazonal e da tendência para a modelagem de emissões de dióxido de carbono antropogênico para cada zona térmica. .......................................... 85 TABELA 4.5 – Constantes das equações da tendência para a modelagem de emissões de dióxido de carbono antropogênico para cada zona térmica .................................................................................... 86 TABELA 5.1 – Dados Teóricos e dados reais dos Fluxos de dióxido de carbono entre o ecossistema terrestre e a atmosfera para cada zona térmica ........................................................................... 87 TABELA 5.2 – Dados teóricos de fluxo de dióxido de carbono para todos os anos desde 1995 ate 2005 em TgC ............................................ 88 TABELA 5.3 – Tabela de dados gerados para o fluxo Oceano _ Atmosfera reais (Negrito) e dados interpolados (normal) dados em TgC ....... 89 TABELA 5.4 – Dados de emissões Antropogênicas de Dióxido de carbono feitos com os modelos para cada uma das zonas térmicas ............. 91 TABELA 5.5 – Incremento de dióxido de carbono feito mediante o balanço de massa para cada zona climática.................................... 92 TABELA 5.6 – Concentrações de dióxido de carbono teóricos e reais (ppm). ....... 94 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ACUM atm - Armazenamento atmosférico BRW - Barrow –Alaska CDIAC - Carbon Dioxide Information Analysis Center DIC - Dissolved Inorganic Carbon DOC - Dissolved Organic Carbon EIA - Energy International Agency EIA* - Energy Information and Administration FAO - Food and Agriculture Organization GPP - Gross Primary Productivity ha - Hectare IBVG - Índice Biológico Vegetativo Global IPCC - Intergovernamental Painel Climate Change LABFIT - Curve Fitting Software MNO - Mauna Loa NEE - Net Ecosystem Exchange NEP - Net Ecosystem Productivity NPP - Net Primary Productivity pH - Potencial de Hidrogênio ppmv - Partes por milhão em unidade de volume PS - Pólo sul RSA - Autotrophic Respiration RSH RSE - - Heterotrophic Respiration Total Respiration SIO - Scripp Institution Oceanography SMO - Samoa Americana SOM - Soil Organic Matter SST - Structure Surface Temperature TgC - Terá gramas de carbono equivalentes ao CO2 TPES - Total Primary Energy Supply μatm - Micro atmosferas UNFCC - United Nations Framework Convention of Climate Change LISTA DE SÍMBOLOS A Solubilidade do CO2 mol.μatm-1 aq Estado líquido da matéria mol Aflorestada Área Florestada ha A, B,.....,L Constantes TgC.ano-1 B0,B1,...,Bn Constantes (CO2conc) Concentração de CO2 mol.cm-1 [CO2]i Concentração de CO2 num tempo i ppmv erro Erro entre dado real e dado suavizado TgC fCO2 Fluxo anual de CO2 TgC.ano-1 fi(t) Fluxo em função do tempo TgC f(t) Equação do modelo TgC G Estado gasoso da matéria mol K Constante de equilíbrio mol.s-1 K* Coeficiente de transferência do CO2 cm.h-1 mCO2 Massa anual de CO2 TgC NEE Intercâmbio do ecossistema líquido TgC.ano-1ha-1 N Número de observações p Pressão barométrica μatm.mol-1 p(CO2) Pressão parcial μatm.cm-1 �p(CO2) Diferença das pressões parciais μatm.cm-1 Sc Fator do vento correlacionado cm.s-1 S(t) Função Sazonal TgC T Temperatura oC T(t) Função da tendência TgC ti Tempo ano v Velocidade do vento cm.h-1 w Freqüência Angular rad Z Dados reais no tempo i (TgC.ano-1) Z* Dados reais no tempo i suavizados (TgC.ano-1) SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...............................................................................................................1 1.1 ESTADO DA ARTE......................................................................................................1 1.2 MOTIVAÇÃO...............................................................................................................6 1.3 PROPOSTA E A FINALIDADE DO TRABALHO....................................................7 1.4 OBJETIVO DO TRABALHO......................................................................................8 1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.......................................................................................8 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO..................................................................................8 2 CICLO DO CARBONO...............................................................................................10 2.1 INTRODUÇÃO............................................................................................................10 2.2 CICLO NATURAL DO CARBONO...........................................................................11 2.2.1 Ecossistema terrestre.............................................................................................12 2.2.1.1. Tipos de floresta do mundo...................................................................................13 2.2.1.2 Índice Biológico Vegetativo Global......................................................................17 2.2.2 Oceanos....................................................................................................................19 2.2.2.1 Reatividade do dióxido de carbono....................................................................23 2.2.2.2 Química biológica do carbono nos oceanos.......................................................25 2.2.3 Atmosfera...............................................................................................................26 2.3 FLUXOS DE DIÓXIDO DE CARBONO ENTRE OS RESERVATÓRIOS...................................................................................................30 2.3.1 Fluxo de CO2 entre ecossistema terrestre e atmosfera.......................................33 2.3.1.1 Sistema dinâmico de intercâmbio de dióxido de carbono.....................................34 2.3.1.2 Modelagem do processo de respiração das plantas e solos...................................35 2.3.2 Fluxo de CO2 entre o oceano e atmosfera..............................................................37 2.3.2.1 Distribuição de p(CO2) das águas superficiais......................................................39 2.3.2.2 Modelagem do fluxo de CO2 oceano e atmosfera.................................................41 2.4 EMISSÕES DE CO2 PELA INFLUÊNCIA ANTROPOGÊNICA............................42 2.4.1 Emissões de dióxido de carbono referentes à queima de combustíveis fósseis e a conseqüência na energia mundial...............................42 2.4.2. Emissões de dióxido de carbono referente à mudança de uso de solos.............47 2.5 IMPACTO NO CICLO DE CARBONO DEVIDO ÁS MUDANÇAS CLIMÁTICAS....................................................................................48 3 ÁREA DE ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE BANCO DE DADOS.........................50 3.1 LOCALIZAÇÃO E DELIMITAÇÃO DO ESPAÇO E TEMPO...............................50 3.1.1 Zonas Tropicais.......................................................................................................50 3.1.1.1 Clima das zonas tropicais......................................................................................51 3.1.2 Zonas Temperadas............................................................................................................52 3.1.2.1 Clima nas zonas temperadas...................................................................................53 3.1.3 Zonas Polares.........................................................................................................54 3.1.3.1 Clima polar............................................................................................................55 3.2 OBTENÇÃO DO BANCO DE DADOS....................................................................56 3.2.1 Fluxos de Dióxido de Carbono entre os reservatórios..........................................56 3.2.2 Emissões de CO2......................................................................................................56 3.2.3 Fluxos entre o ecossistema terrestre e atmosfera...............................................59 3.2.3.1 Extensão de floresta terrestre.................................................................................59 3.2.3.2 Dinâmicas de CO2.................................................................................................60 3.2.4 Fluxo entre o oceano e a atmosfera.......................................................................61 . 3.2.4 Dados de dióxido de carbono atmosférico.......................................................63 4 MODELAGEM DO SEQUESTRO E ARMAZENAMENTO DE DIÓXIDO DE CARBONO ATMOSFÉRICO.......................................................67 4.1 INTRODUÇÃO...........................................................................................................67 4.2 FUNDAMENTO TEÓRICO.......................................................................................68 4.2.1 Analise de series temporais.................................................................................69 4.2.1.1 Tendência e Suavização.........................................................................................70 4.2.1.2 Análise de Fourier.................................................................................................73 4.3 METODOLOGIA........................................................................................................74 4.3.1 Modelagem dos dados de dióxido de carbono atmosféricos...............................75 4.3.2 Geração de dados de fluxos entre reservatórios..................................................80 . 4.3.2.1 Modelagem de dados para Fluxo do Ecossistema Terrestre _ Atmosfera.......................................................................81 4.3.2.2 Modelagem de dados para o Fluxo do Oceano e Atmosfera...............................83 4.3.2.3 Modelagem dos dados de emissões de dióxido de carbono Antropogênico.........................................................................................................83 5 RESULTADOS DA MODELAGEM DE SEQUESTRO E ARMAZENAMENTO DE DIÓXIDO DE CARBONO ATMOSFERICO.........................................................................................................87 5.1 RESULTADOS............................................................................................................87 5.1.1 Fluxo de ecossistema terrestre e a atmosfera......................................................87 5.1.2 Fluxo do oceano e a atmosfera.............................................................................89 5.1.3 Emissões de CO2 antropogênico...........................................................................90 5.1.4 Armazenagem do CO2 na atmosfera...................................................................92 5.2 MODELO DE RESPOSTAS ACOPLADAS QUE IMPLICAM CONCENTRAÇÕES DE CO2 ATMOSFÉRICO FUTURAS................................................................................................................94 5.2.1 Previsões das concentrações de dióxido de carbono atmosférico (cenário primeiro)..................................................................................................95 5.2.2 Construção de cenários para concentrações de dióxido De carbono atmosférico........................................................................................97 5.2.2.1 Avaliação da meta do Protocolo de Quioto (Cenário Segundo)............................97 5.2.2.2 Paises Emergentes e influência da suas emissões no ciclo de carbono (Cenário terceiro)..................................................................................................100 5.2.2.3 Estados Unidos de Norte América e sua influencia no ciclo de carbono (Cenário Quarto)....................................................................................102 5.2.2.4 Sistemas de Captura de Carbono (processos CCS) e sua influencia nas Concentrações de CO2 atmosférico (cenário Quinto)...................................104 6 CONCLUSÕES........................................................................................................106 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA.....................................................................109 ANEXO A.................................................................................................................118 ANEXO B..................................................................................................................120 ANEXO C.................................................................................................................126 ANEXO D.................................................................................................................132 ANEXO E..................................................................................................................138 ANEXO F..................................................................................................................144 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 ESTADO DA ARTE Visando o aumento dos padrões de vida e a demanda de alimentos pelo crescimento da população no mundo inteiro, muitas regiões tiveram a necessidade de incrementar o consumo de energia como também ampliar as áreas de cultivo; não obstante, incrementou-se proporcionalmente a emissão de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera. O aumento das concentrações de dióxido de carbono atmosférico e outros gases de efeito estufa são ao redor de 31% desde a revolução industrial. As concentrações de CO2 aumentaram de 280 ppm (ano 1750) para 387 ppm (ano 2005), com a tendência a continuar aumentado com uma taxa de 2,0 ppm ao ano (3300 TgC/ano) (LAL, 2004; CDIAC, 2006; EIA, 2007). Nas últimas décadas, o crescimento econômico e populacional dos países em desenvolvimento tem causado aumentos vigorosos do consumo de energia mundial. O crescimento, aliado à demanda crescente de petróleo e gás, poderá causar pressões nos sistemas energéticos e nas condições ambientais globais no decorrer do século 21. Segundo projeções das Nações Unidas, até o ano 2030 as regiões em desenvolvimento poderiam chegar a 81% da população mundial. A rápida expansão econômica projetada para os mercados emergentes, em conjunto com o rápido crescimento populacional, resultará num aumento da demanda de energia nos paises em desenvolvimento. A Energy related Carbon dioxide Emissions (2002) da Agência Internacional de Energia (EIA) comentou que até o ano 2030 a demanda global de energia primaria estará quase 2/3 acima dos níveis de 2000, chegando a 15,3 bilhões anuais de toneladas equivalentes de petróleo, e os países em desenvolvimento responderão por 62% desses aumentos (JAFFE e BAKER, 2006). As emissões de dióxido de carbono provêm em sua maior parte dos setores de energia, transporte e industrial (processos de combustão). Para o ano 2004, 26% das 2 emissões de dióxido de carbono foram derivadas do setor energético, 19 % do setor industrial, 17 % para mudanças de uso do solo, 14 % do setor agrícola, 13% setor transporte, 8 % setor residencial-comercial e 3% do lixo (BERT METZ, 2007). Oliver (2006) reporta emissões globais de dióxido de carbono, as quais apresentam uma evolução temporal desde 1970, aumentando repentinamente no ano 2004 ao redor de 80% das emissões de CO2, sendo que 77% correspondem às emissões antropogênicas (ver figura 1.1). O crescimento da população a nível global, teve um significativo efeito no crescimento de energia relacionado a emissões de CO2 na demanda de combustíveis fósseis. Jaffe e Baker (2006) analisaram as projeções dadas pela Agência Internacional de Energia (EIA), assumindo que o setor energético tem aumentado significativamente desde a revolução industrial, e os cenários corroboram que esse incremento seguirá pelos próximos 30 anos. Em outro trabalho de pesquisa, Oliver (2006) determinou como o incremento de energia aumenta as taxas de dióxido de carbono. Aumentos das emissões de combustíveis fósseis foram drásticos durante o século 20, sendo que as cargas de carbono para as últimas duas décadas identificaram mudanças entre as diferentes fontes e sorvedouros. Como se pode observar na Tabela 1.1, para os anos 1980 as emissões de carbono equivalente (dióxido de carbono) para combustíveis fósseis foram de 5400 +/- 300 TgC e para as mudanças de uso de solos foram de 1700 +/- 800 TgC (esta última consiste em desflorestamento, queimadas de biomassas e mudanças de ecossistemas naturais para terrenos agrícolas). Já para os anos 1990, as emissões foram de 6300 +/- 400 TgC para combustíveis fósseis e indústrias de cimento e 1600 +/- 800 TgC para as mudanças de uso de solos. (LAL, 2004; SCHIMEL et. al, 2001; IPCC, 2001). 3 Figura 1.1 - 100 anos de Emissões de dióxido de carbono em Gtn anuais desde os anos 1970 até o ano 2004. (OLIVER et al, 2006; HOOPER et al, 2006; MERTZ , 2007) A Refere-se á produção de cimento e queima de gás natural, B,C Refere-se ao setor agrícola, à decomposição da biomassa que permanece depois do desmatamento e o CO2 da putrefação dos solos, assumindo que 10% do carvão permanecem nos solos depois da combustão. O dióxido de carbono é um dos principais constituintes do ciclo do carbono; esse gás realiza ciclos com diferentes reservatórios, sendo capturado e seqüestrado em cada um deles de acordo com a sua capacidade. Durante as décadas passadas, em média, a metade das emissões antropogênicas tem permanecido na atmosfera e o restante foi absorvido pelos reservatórios (oceanos e ecossistemas terrestres). 30 25 20 15 10 5 0 1970 1990 2000 20041980 CO2 Uso de combustíveis fósseis CO2 OutrosA 0 10 5 CO2 DesmatamentoB CO2 DecomposiçãoC 4 Tabela 1.1 - Uma aproximação das cargas de carbono globais para as dois décadas passadas (TgC) Fonte: LAL, 2004. Variações anuais na velocidade de acumulação de CO2 atmosférico nos outros reservatórios estão diminuindo ou aumentando a sua captura como resultado das variações dos fluxos do ciclo de carbono. Pesquisas dos fluxos entre reservatórios como oceanos e ecossistemas terrestres, em relação com suas regiões, têm produzido respostas conflitantes (BOUSQUET et. al., 2000). Segundo Lal (2004), de um modo geral o incremento anual nas concentrações de dióxido de carbono para os anos 1980 foi de 3300 +/- 200 TgC, sendo que 2000 +/- 800 TgC foram seqüestrados pelos oceanos e 1900 +/- 1300 TgC foram absorvidos pelo ecossistema terrestre. Já para os anos 1990, o incremento na atmosfera foi de 3200 +/- 100 TgC, a absorção pelos oceanos ao redor de 2300 +/- 800 TgC e pelos ecossistema terrestre 2300 +/- 1300 TgC. A influência humana entre fluxos dos três principais reservatórios representa uma pequena perturbação significativa ao ciclo de carbono. Esses fatores que influenciam sobre as mesmas concentrações de CO2 como a natureza da variabilidade climática, mudanças nas correntes marinhas, efeitos de fertilidade, ações humanas diretas como as Fonte 1. Combustão de combustíveis fósseis e produção de cimento. 2. Mudanças de uso de solos. Total Sorvedouros 1. Oceanos 2. Ecossistema terrestre 3. Atmosfera Total 5400 1700 7100 2000 1900 3300 7200 6300 1600 7900 2300 1700 3000 7000 80’s 90’s Reservatórios (Fontes / sorvedouros) 5 conversões de terras, supressão de fogos, dentre outros, são características próprias de cada região. Para estabelecer as conseqüências das atividades humanas no ciclo global de carbono, observações diretas são necessárias tanto quanto modelos de previsões. A habilidade de prever corretamente uma gradiente de variação nas concentrações de CO2 atmosféricos com o tempo é requisito indispensável para modelos de confiança que vinculem a quantidade de carbono nos reservatórios e o poder de transferência entre eles (KEELING et al., 2001). Essas perspectivas têm direcionado pesquisadores durante anos. A IPCC WIC Second Report (IPCC, 1996) indica que, para fazer medições e observações nas maiores áreas do planeta, dados de observações devem ser obtidos (atmosféricas, oceânicas e terrestres) para melhorar a quantificação de fluxos de carbono em escalas regionais e globais. Por exemplo, deve-se melhorar a precisão de medições de CO2 atmosférico e desenvolver melhores métodos de medições de variaçoes de concentrações de CO2; melhorar as medições de fluxos em torres, observações via satélite de cobertura terrestre global e suas mudanças; incrementar monitoramentos geográficos, estacionais e variações interanuais de parâmetros biogeoquímicos. Desde 1 de junho de 2006, 189 nações, incluindo os Estados Unidos, adotaram a Convenção das Nações Unidas para a estrutura das mudanças climáticas (UNFCC, United Nations Framework Convention of Climate Change), o que teve como objetivo “estabilizar as concentrações dos gases de efeito estufa na atmosfera em um nível que poderia estabilizar ou prevenir os danos antropogênicos para a mudança climática”. O estudo do ciclo do carbono é importante para esse objetivo, pois ele determina quanto do CO2 antropogênico traslada-se à atmosfera e quanto desse CO2 é seqüestrado pelos oceanos e pelos ecossistemas terrestres. Em particular, o balanço dessas cargas de carbono è nas palavras de Houghton (2007): “A conservação de carbono e a primeira lei da Termodinâmica estão agindo. O balanço de carbono refere-se ao estado das ciências em avaliações de termos de equações 6 de carbono global. O incremento anual na quantidade de carbono na atmosfera, oceanos e ecossistemas terrestres poderia avaliar as emissões antropogênicas. Balancear as cargas de carbono não é um resultado real. O resultado real é ter um entendimento do processo responsável por fontes e sorvedouros totais de carbono. Esse entendimento poderia trazer previsões mais precisas de concentrações futuras de CO2 atmosférico”. 1.2 MOTIVAÇÃO Dentro dos gases efeito estufa, o mais importante é o dióxido de carbono, já que além de ter uma concentração que está aumentando na atmosfera com uma alta taxa nos últimos 200 anos, é um dos gases com maior força radiativa conforme se pode observar na Figura 1.2. Figura 1.2 – Variações das concentrações de dióxido de carbono sendo o ano zero o ano de partida referente ao ano 2000. (GLOBAL WARMING ART) Disponível na pagina web: www.globalwarmingart.com. Acceso em: 20/08/07. Ciclo: “Era do gelo” Anos Milhares de anos anterior 7 Saber o comportamento do gás carbônico entre os processos físicos, químicos e biológicos do ciclo de carbono é de muita importância, já que esses processos seqüestram e armazenam o gás fazendo uma ciclagem entre seus reservatórios naturais, assim não deixando acumular-se na atmosfera, movimentando-se entre o ecossistema terrestre e os oceanos. Se não for assim ou se houver alguma alteração, o acúmulo de dióxido de carbono será um problema muito sério para a vida na Terra. Para adquirir uma base de dados adequada para estabelecer impactos humanos na escalas continentais ou globais, é preciso amostrar o ar no mundo inteiro e assim determinar corretamente os gradientes das variações temporais do CO2 atmosférico que os dados estabelecem, já que são requisitos indispensáveis para um modelo confiável que vincula o seqüestro e armazenamento de dióxido de carbono nos reservatórios atmosfera, ecossistema e oceano. Dados atuais de CO2 atmosférico são aceitos para os cálculos dos gradientes de CO2 ao redor de 140 localizações fixas na Terra. Mesmo assim, o número de observações e finas escalas de resolução de fontes e sorvedouros podem ser muito escassos, porque gradientes longitudinais e regionais desses fluxos são dificilmente detectáveis devido a fortes misturas atmosféricas. Se a variação temporal e espacial nas concentrações de CO2 na atmosfera é realmente predita mediante um modelo de seqüestro e armazenamento, em princípio, é possível a determinação de fortes intercâmbios de CO2 atmosférico entre o ecossistema terrestre e o oceano, o que permitirá predizer os níveis de CO2 para anos futuros e entender como os reservatórios do ciclo comportaram-se no passado e comportar-se-ão no presente e no futuro. 1.3 PROPOSTA E A FINALIDADE DO TRABALHO Este trabalho propõe-se a desenvolver um modelo simplificado para possibilitar uma melhor compreensão do seqüestro e armazenamento do dióxido de carbono atmosférico 8 com relação à latitude, para um melhor entendimento do ciclo de carbono e suas interações entre os reservatórios. 1.4 OBJETIVO DO TRABALHO O objetivo do trabalho é apresentar um modelo de seqüestro e armazenamento de dióxido de carbono atmosférico em função dos diferentes reservatórios e sua influência nas zonas térmicas da Terra. 1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS São objetivos específicos: • Estudar os processos biológicos, químicos e físicos do ciclo de carbono natural e global. • Quantificar emissões e seqüestro de CO2, e as mudanças nos reservatórios. • Analisar dados científicos do CO2 para o comportamento em cada uma das zonas térmicas do planeta terra. • Apresentar uma modelagem de seqüestro e armazenagem de CO2 na atmosfera. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO O estudo está dividido da seguinte maneira: Capítulo 1: Nesta etapa do trabalho desenvolve-se uma pequena introdução para estabelecer o problema de estudo como também se apresentam a proposta e sua finalidade. 9 Capítulo 2: É apresentado o fundamento teórico geral do ciclo natural de carbono, as principais interações entre os reservatórios e a influência do fator antropogênico. Capítulo 3: Desenvolve-se o banco de dados. No entanto, primeiro faz-se a delimitação do espaço e tempo do estudo. Capítulo 4: Descreve-se a metodologia para a modelagem com os dados apresentados no capítulo anterior e, assim, desenvolve-se o modelo de seqüestro e armazenamento de dióxido de carbono atmosférico. Capítulo 5: Apresentam-se os resultados do modelo de seqüestro e armazenamento de dióxido de carbono. Capítulo 6: Apresentam-se as conclusões do trabalho. 10 2 CICLO DO CARBONO 2.1 INTRODUÇÃO Processos naturais continuamente transportam grandes quantidades de carbono presentes na atmosfera em direção aos oceanos e ao ecossistema terrestre, principalmente com o dióxido de carbono (99% CO2, 1% CH4 e CO). Em muitas circunstâncias, é razoável assumir que o carbono atmosférico seja inteiramente dióxido de carbono. A industrialização, as mudanças no uso de solos e outros elementos têm modificado o ciclo biogeoquímico do carbono significativamente durante os anos, mas o dióxido de carbono está constantemente sendo removido da atmosfera como parte do ciclo. Trabalka (1982) comentou que a quantidade de carbono que retornou da atmosfera através do ciclo de carbono durante os últimos 100 milhões de anos é estimada como 200 a 1000 TgC.ano-1, sendo este depositado como sedimentos na profundidade da crosta terrestre. Se não houvesse retorno de carbono, a superfície terrestre seria aquecida a ponto de se tornar como Vênus. Os processos que retiram o carbono da atmosfera são chamados “Reservatórios de Carbono”, conforme é mostrado na figura 2.1. Figura 2.1 - Reservatórios do ciclo natural do carbono (KORHONEN et al, 2002). OCEANO ATMOSFERA COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS ECOSSISTEMA TERRESTRE VEGETAÇÃO E SOLOS BIOTA DIC 11 2.2 CICLO NATURAL DO CARBONO O ciclo do carbono é uma combinação de muitos processos naturais biológicos, químicos e físicos que movimentam o carbono entre os reservatórios mediante a interação existente entre a atmosfera e o ecossistema terrestre, como também, atmosfera e oceanos (figura 2.2). Estas interações são principalmente compreendidas em dos diferentes processos: • O primeiro processo é o intercâmbio de dióxido de carbono entre a atmosfera e o ecossistema terrestre. • O segundo processo é o intercâmbio de dióxido de carbono compreendido entre atmosfera e o oceano. Figura 2.2 - Ciclo do Carbono e suas interações entre reservatórios de CO2 (NASA,2004), disponível na pagina web: http://earthobservatory.nasa.gov/Library/CarbonCycle/carbon_cycle4.html 12 O ciclo do carbono pode ser convenientemente dividido em dois compartimentos: (1) compartimento denominado reservatório, é o maior e mais estável, de movimentos lentos e geralmente não biológicos; e (2) compartimento de ciclagem, que corresponde a uma parcela menor, porém mais ativa, com um intercâmbio rápido de carbono entre os organismos e o ambiente (OLIVEIRA e ARAGÃO, 2004). 2.2.1 Ecossistema Terrestre O Ecossistema Terrestre participa na parte rápida do ciclo, reciclando o CO2 entre 1 a 3 anos, mas também armazenando carbono por 50 a 100 anos dentro de florestas e solos (TAKLE, 1996). A fotossíntese é responsável por cerca da metade do carbono extraído da atmosfera e, a soma de carbono na vegetação é em alguma ordem da magnitude da atmosfera (TRABALKA, 1982). Mediante a fotossíntese, remove-se carbono da atmosfera, que é retornado mediante a respiração, sendo o processo que permite às plantas viver e crescer. A fotossíntese ocorre nas folhas das árvores e nas células de organismos microscópicos que vivem na terra e próximo à superfície dos mares e oceanos (as plantas marinhas capturam o dióxido de carbono dissolvido no mar). O processo usa energia da radiação solar (0,426 MJ.(mol CO2) -1) para converter o dióxido de carbono e a água em açúcares baseados em carbono (glicose), sendo representado pela equação 2.1: OHCO 22 126 + 226126 66 OOHOHC ++ 2.1 Os açúcares obtidos são, em seguida, convertidos em outras moléculas, como amido, gorduras, proteínas, enzimas e todas as outras moléculas que ocorrem em plantas vivas. A fotossíntese também libera oxigênio à atmosfera, o que os animais precisam para respiração. 0,426 MJ /(mol CO2) Clorofila 13 2.2.1.1. Tipos de floresta do mundo A biomassa florestal é a maior reserva de carbono terrestre do planeta, tendo uma grande magnitude em fontes e sorvedouros de carbono. O mecanismo responsável pelo sorvedouro pode ser obtido considerando as diferentes zonas, porém a biomassa global é dividida em três florestas principais: Boreal, Temperada e Tropical. a) Floresta Boreal (latitudes elevadas): A zona Boreal está localizada acima dos 50º latitude norte, e as regiões que têm uma significativa extensão de floresta nesta zona são: América do Norte, Ásia, Canadá e Europa. A eco-região norte da floresta boreal é a terça parte da área total de floresta mundial. A floresta de América do Norte estende-se desde Alaska até Terra Nova, fronteira com as tundras mais ao sul. Conhecida na Rússia como Taiga, as florestas boreais constituem uma das maiores florestas do mundo. Este tipo de floresta é uma comunidade de vegetais sensíveis à variação das condições ambientais, e contém poucas espécies, sendo as mais representativas as Coníferas. Também compreende uma floresta em regiões subárticas de climas muito frios, longos invernos de aproximadamente seis meses, com diferenças de temperatura acerca dos – 20ºC durante o inverno e 17ºC durante o verão, porém, as características climáticas da floresta boreal são bem contrastantes, pois os invernos são muito longos e frios e o verão muito curto (MALHI, 1999). Nas florestas da zona Boreal encontram-se as Tundras e as Taigas. Uma quantidade de coníferas (Taigas) caracteriza-se por um dossel fechado tendo como espécies de árvores Pinus strobus (figura 2.3), Acer saccharum, Fagus americanus. 14 Figura 2.3 - Floresta Boreal “Coníferas Pinus Strobus”. (MALHI, 1999) Devido às baixas temperaturas, a decomposição é bastante lenta, e as atividades dos microorganismos do solo são limitadas. As grandes folhas das árvores se decompõem lentamente, criando um tapete sobre o solo. Taninos e outros ácidos promovem camadas muito ácidas acima do solo, e a sombra permanente das árvores mantém sempre a evaporação em um mínimo. Os solos são freqüentemente úmidos, e isto tende a limitar a ciclagem de nutrientes, em comparação com as outras florestas. b) Floresta Temperada (médias latitudes): Esta zona apresenta quatro estações bem definidas, têm um clima moderado. Há muita diversidade de florestas, mas a principal é a categoria das decíduous (figura GPP RSA RSAf RSAr RSH RSE RSAt 15 2.4), particularmente o Oak-Hickory, Quercus Alba, Quercus primus, Carya ovata, Acer rubrum (maples), Liriodendron tulipifera e Pinus Tadea. Figura 2.4 - Floresta Temperada “Decíduos Oak-Hickory” (MALHI,1999) Nas zonas temperadas os invernos são moderados, as chuvas abundantes, áreas montanhosas e zonas úmidas. A temperatura máxima registrada é de 23 ºC durante o verão, onde as folhas aumentam quando o tempo aquece e os dias são mais longos. As temperaturas mínimas situam-se em torno de 5 ºC no inverno (MALHI, 1999), quando as árvores perdem suas folhas e os dias são mais curtos. Os dias de crescimento das plantas situam-se entre 150-200 dias e o dossel é totalmente cheio de folhas. c) Florestas Tropicais (baixas latitudes): A floresta tropical ocorre em três regiões na Terra: na americana, na africana e na indo-malásia. A americana é a maior de todas, cobrindo a região amazônica GPP NPP RSE RSH RSA RSAf RSAt RSAr 16 compreendida pelo Brasil, e todos os países que lhe fazem fronteira na América do Sul, em direção ao norte até a América Central. Tanto a Floresta Amazônica como a Mata Atlântica fazem parte deste ecossistema. A zona tropical tinha aproximadamente 17560.103 km² nos anos 1990 de florestas tropicais (MALHI e GRACE, 2000), composta por uma grande quantidade de espécies vegetais e animais; apesar do solo ser muito pobre (Esta pobreza se deve ao fato de haver uma camada de areia que facilita a infiltração rápida da água), nesta floresta ocorre a decomposição da matéria orgânica (folhas, etc) propiciada pela sombra, calor e umidade, formando-se uma camada de cerca de 50 centímetros de húmus. As florestas tropicais ocupam uma faixa extensa na região equatorial úmida. Essas regiões incluem florestas evergreen em solos baixos no equador (7180.103 km2), floresta úmida deciduous (5870.103 km2) e floresta deciduous seca (2380.103 km2) e florestas montanhosas (2130.103 km2). (FAO, 2006) Em torno de 60% de todas as espécies do planeta encontram-se a floresta tropical. Esta biomassa é caracterizada por uma elevada produtividade. A fixação do dióxido de carbono nesta zona é ao redor de 18000 TgC.ano-1 e nas savanas ao redor de 17000 TgC, sendo este o 60% da fotossíntese terrestre global. O tamanho das árvores gira em torno de 55 metros (figura 2.5). Das três florestas, tem-se que: a estimativa de carbono acima do solo é de 217.10-6 TgC.ha-1 nas zonas tropicais (ver Tabela 3.3, no Capítulo 3), sendo a tropical a maior reserva de carbono e a boreal a menor, acontecendo o contrário com as estimativas de carbono abaixo do solo (MALHI, 1999). 17 Figura 2.5 - Floresta Tropical “Floresta úmida perto de Manaus Brasil” (MALHI, 1999) 2.2.1.2 Índice Biológico Vegetativo Global Com base nos dados dos observatórios de Maona Loa, Samoa Americana, Barrow e Pólo Sul, observa-se que os níveis de CO2 aumentaram constantemente a partir da revolução industrial. Keeling (2001) foi o primeiro a medir o dióxido de carbono de uma maneira contínua, descobrindo assim flutuações nos gráficos, os quais representam o fluxo de carbono no ciclo. Essas flutuações foram atribuídas ao metabolismo do ecossistema terrestre, chamado Índice Biológico Vegetativo Global (IBVG). Os aumentos das concentrações do CO2 ocorrem durante o outono e o inverno no Hemisfério Norte (figura 2.6), devido ao fato das gramíneas morrerem e as árvores serem cobertas por neve. Neste caso, o IBVG permanece em um estado latente, e as concentrações de CO2 diminuem durante a primavera e o verão (figura 2.7), devido ao fato das plantas absorverem mais CO2 do que emitirem por meio da respiração. No Hemisfério Sul, as G RSE RSH RSA RSAf RSAt RSAr 18 flutuações são de amplitudes menores devido ao fato das florestas tropicais absorverem o CO2 durante todo o ano, sendo a variabilidade do IBVG não tão drástica. Figura 2.6 - Índice Biológico vegetativo global (IBVG) para os meses Janeiro-Fevereiro (2004) (STÖCKLI, 2005). Disponível na pág web: http://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?id=7130 , Acesso: Janeiro 2007. Figura 2.7 - Índice Biológico vegetativo global (IBVG) para os meses Julho-Agosto (2004) (STÖCKLI, 2005) Disponível na pág web: http://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?id=7130 , Acesso: Janeiro 2007. 19 2.2.2 Oceanos O dióxido de carbono é o gás usado para fazer a efervescência em refrigerantes. É mais solúvel em altas pressões e baixas temperaturas. É por isso que o refrigerante é normalmente servido frio em latas ou garrafas. Com a abertura da lata ou garrafa, uma quantidade de CO2 permanecerá dissolvida na pressão e na temperatura ambiente. Este mesmo fenômeno é desenvolvido nos oceanos, e é por isso que os oceanos mais frios absorvem mais CO2 do que as águas mais quentes. A camada delgada de água é altamente estruturada e de aquecimento desigual na superfície. Essa mistura de camadas é de 30 m de profundidade nos trópicos e aumenta com o aumento da latitude. A temperatura da superfície marinha vai de 30oC perto do equador até -1,5oC em latitudes elevadas (pólos), tendo elevadas densidades na água do mar. Apesar da estratificação, os oceanos são surpreendentemente uniformes em sua composição. Variações na salinidade da água provêem um importante meio de identificação de massas de água e determinam a natureza da circulação. Essas variações são geralmente pequenas. A salinidade média tem valor ao redor de 34,7 g/kg de Sódio, e no oceano aberto raramente excede a 1%, com exceção na zona superficial. A composição oceânica em proporção molar de sódio é apresentada na Tabela 2.1. Tabela 2.1 - Composição oceânica em proporção molar ao sódio. Composto Proporção molar Magnésio 0,114 Sulfato 0,0600 Cálcio 0,0218 Potássio 0,0211 Brometo 0,00177 Acido Bórico 0,00093 Fonte: Trabalka (1982) 20 Moléculas de dióxido de carbono são continuamente misturadas à água do mar por meio de vários processos físicos, químicos e biológicos. Os processos físicos incluem a movimentação do carbono de um lugar a outro mediante movimentos de: • Advecção (chamada Corrente Oceânica ) e, • Difusão vertical dos níveis da água (chamados upwelling e downwelling). A advecção é o fluxo de água de mar dentro do oceano. Por meio desse processo físico é feito o transporte dos nutrientes nas profundidades dos oceanos, assim como são aquecidas as águas nas zonas frias e esfriadas as águas nas zonas quentes. O processo físico, chamado “Corrente Oceânica”, corresponde ao transporte das águas frias, que se aprofundam no Atlântico Norte pelo downwelling de águas salgadas. Essas águas salgadas viajam ao longo das costas das Américas para submergir com as correntes circum- antárticas, as quais alimentam os oceanos Índico e Pacífico. Já na zona equatorial, as águas realizam o upwelling e assim o fluxo das águas retorna até a superfície quente, circulando ao redor do Sul da África, no Atlântico (figura 2.8). Figura 2.8 - A grande corrente de transporte oceânica. Extraída do documentário “Uma verdade inconveniente” (Al Gore, 2007). 21 Um intercâmbio relativamente rápido de CO2 acontece entre a superfície do oceano e a atmosfera, embora a pressão parcial de CO2 gerada pela água possa diferir da pressão parcial atmosférica local por mais de 100 �atm-1, em ambas as direções (TAKAHASHI, 1983). Geralmente a pressão parcial de CO2 da água superficial é pequena em regiões polares, onde o esfriamento e o downwelling se desenvolvem, e elevadas nas regiões equatoriais, onde acontece o aquecimento e upwelling. O upwelling é um processo oceanográfico que vincula as direções do vento com a movimentação de águas densas, frias e usualmente ricas em nutrientes em direção à superfície oceânica. Há três tipos de upwelling: o costeiro, o equatorial e o de larga difusão no oceano interior. a) Upwelling costeiro (figura 2.9): tipo mais conhecido e mais relacionado com as atividades humanas. Suas águas profundas são ricas em nutrientes (nitratos e fosfatos). Quando chegam à superfície, esses nutrientes são usados pelo fitoplâncton. b) Upwelling equatorial (figura 2.10): os ventos leste arrastam as águas superficiais ao longo do equador em direção a ambos hemisférios. c) Upwelling do oceano sul (figura 2.11): é denotado como o arraste das águas ao longo do oceano antártico até a zona equatorial onde ocorrem a ressurgências das águas. Figura 2.9 – Fenômenos da circulação oceânica, Upwelling Costeiro (BLENDER, 2005), disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/Upwelling. Acceso em: Agosto 2007. 22 Figura 2.10 – Fenômenos da circulação oceânica, Upwelling equatorial (BLENDER, 2005), disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/Upwelling. Acceso em: Agosto 2007. Figura 2.11 – Fenômenos da circulação oceânica, Upwelling do Oceano Sul (BLENDER, 2005), disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/Upwelling. Acceso em: Agosto 2007. O downwelling é o processo contrário ao upwelling. É a submersão das águas até as profundidades do oceano. Os padrões das superfícies oceânicas são muito complexos, por três razões: • A circulação da água é fortemente afetada pelas camadas oceânicas e pela rotação da terra. • Existem condições da superfície que direcionam a circulação oceânica, como vento, mudanças de temperatura, evaporação, precipitação. • A densidade também depende da salinidade, a qual é afetada pela evaporação e precipitação na superfície e pelo congelamento e degelo das regiões polares. 23 2.2.2.1 Reatividade do dióxido de carbono O dióxido de carbono não é inerte, e suas reações com a água são usualmente representadas pelas equações seguintes: )(322)(2 aqg COHOHCO ↔+ , 2.2 Nas quais (g) denota gás e (aq) denota aquoso e 32COH é denotado como o total de CO2 dissolvido e 32COH molecular (referido ao ácido carbônico). Esse ácido pode ser dissociado em duas etapas, primeiro para a formação do íon − 3HCO : −+ +↔ )(3)(32 aqaq HCOHCOH 2.3 e depois o íon carbonato ( −2 3CO ): −+− +↔ 2 )(3)(3 aqaq COHHCO 2.4 −− ↔+ )(3 : )(2 aqg HCOOHCO 2.5 Essas reações são rápidas e o equilíbrio local em volumes pequenos de superfícies marinhas pode ser assumido, sendo essas condições representadas quantitativamente mediante as equações de equilíbrio, nas quais um quociente de reação é definido mediante as três reações representadas pelas equações 2.2, 2.3, 2.4 (ver Tabela 2.2), sendo K2 é a constante de hidratação de CO2, K3 é a primeira constante ácida, K4 e a segunda constante ácida. 24 Tabela 2.2 - Química do carbono nos oceanos. Constantes de equilíbrio Formulação Valor K2 K3 K4 [ ]32COH / 2pCO [ ]− 3HCO [ ]+H / [ ]32COH [ ]−2 3CO [ ]+H / [ ]− 3HCO 3,746.10-2 1,106.10-6 7,816.10-10 TC [ ]32COH + [ ]− 3HCO + [ ]−2 3CO Fonte : TRABALKA (1982). Assim, o carbono inorgânico pode ocorrer no ambiente aquático em três formas principais: carbono inorgânico livre ( * 32COH ), íons bicarbonato ( − 3HCO ) e carbonato ( −2 3CO ), sendo esta formulação dependente do pH do meio. Com pH abaixo de 6,3, predomina a reação do carbono inorgânico livre; pH entre 6,3 e 10,25 predomina o íon − 3HCO ; com pH a partir de 10,25, o íon dominante é o −2 3CO . Apesar das extensivas medições conduzidas durante os 1990, medidas de pCO2 em águas superficiais permanecem escassas e a interpolação espacial e temporal é requerida para se ter um campo global. Dados de interpolação coletados sobre a superfície marinha (ao redor do planeta) dependem do vento e do coeficiente de transferência do gás. Esses dados foram usados para obter fluxos líquidos mensais de CO2 apresentados por Takahashi (2002). Os dados correspondem ao período 1995 a 2000. 25 2.2.2.2 Química biológica do carbono nos oceanos As concentrações de carbono inorgânico, oxigênio, elementos nutrientes (nitrogênio, fosfatos, silício) são mais variáveis devido aos processos biológicos. Os processos biológicos também dirigem distribuições regionais e estacionais dos fluxos de CO2. Os processos biológicos são os maiores responsáveis por esses tipos de deficiência. Isto pode ser entendido em uma representação idealizada da fotossíntese marinha (ver Equação 2.6), a qual é endotérmica e precisa de luz solar para reduzir o carbono e o nitrogênio para produzir grandes quantidades de energia química: ( ) ( ) ( ) 242163106224232 13812216106 OPOHNHCHOHPOHHNOCO +⇔+++ 2.6 A GPP “Gross Primary Productivity ou Produtividade total” para fitoplâncton oceânico é de 103000 TgC.ano-1, conforme estimado por Bender (1996). Uma quantidade retorna como carbono inorgânico dissolvido (DIC) através da respiração autotrófica, estimada nas bases de dados globais (45000 TgC.ano-1) para a produtividade primaria neta (NPP). Em redor de 14-30% acontece nas zonas costeiras. Como resultado, o carbono orgânico é consumido pelo zooplâncton, o detrito de algum carbono orgânico é eliminado na forma dissolvida e depois oxidado pelas bactérias e a outra fração é depositada nos reservatório oceânico como produção do Carbono Orgânico Dissolvido (DOC) (figura 2.12). Na respiração heterotrófica nas águas profundas, o carbono orgânico retorna a carbono inorgânico dissolvido (DIC) eventualmente em outras localizações. Este DIC realiza o upwelling em direção às capas superficiais novamente e assim novamente equilibra-se com o CO2 atmosférico. Este mecanismo é referido como bomba biológica, mantendo assim elevadas concentrações de DIC nas profundidades. Contudo, a concentração na atmosfera é cerca de 200 ppm menor, graças a este mecanismo (SARMIENTO, 1994). 26 Figura 2.12 - Esquema do processo “Bomba Biológica”. Organismos marinhos também formam conchas de cálcio sólido (CaCO3) que acumulam em sedimentos, corais, arrecifes e areia. Este processo esgota o CO3 2-, reduzindo a alcalinidade e incrementando a pressão parcial de CO2 (pCO2), direcionando assim a saída de CO2 para a atmosfera. A formação de CaCO3 na superfície marinha e os fluxos de água-ar afetam a produção de carbono orgânico. Para os oceanos, a proporção entre exportar carbono orgânico e exportar carbonato de cálcio é um fator criticamente controlado sobre a atividade biológica no oceano superficial. 2.2.3 Atmosfera O termo atmosfera padrão é utilizado para definir a atmosfera sob condições normais de temperatura e pressão (273 K e 1 atm.), composta por substâncias em concentrações médias encontradas na atmosfera limpa, ou seja, na atmosfera que não DOC & CaCODOC & CaCO 33 Acum ulaAcum ula çãçã o de o de Sedim entosSedim entos RespiraRespira çãção e o e Decom posiDecom posiçãçãoo OCEANO OCEANO PROFUNDOPROFUNDO ������ ������ Upw ellingUpw elling e Difuse Difus ãã oo Dissolvido Dissolvido COCO 22 , , COCO == 33 ,, & & HCOHCO 33 RespiraRespira çãção o FotossFotoss ííntesesnteses DICDIC ?? COCO 22 = CO= CO 22 + HCO+ HCO -- 33 + CO+ CO == 33 GPPGPP DOCDOC ATMOSFERAATMOSFERA Dow nw elling Dow nw elling DOC & CaCODOC & CaCO 33 Acum ulaAcum ula çãçã o de o de Sedim entosSedim entos RespiraRespira çãção e o e Decom posiDecom posiçãçãoo OCEANO OCEANO PROFUNDOPROFUNDO ������ ������ Upw ellingUpw elling e Difuse Difus ãã oo Dissolvido Dissolvido COCO 22 , , COCO == 33 ,, & & HCOHCO 33 RespiraRespira çãção o FotossFotoss ííntesesnteses DICDIC ?? COCO 22 = CO= CO 22 + HCO+ HCO -- 33 + CO+ CO == 33 GPPGPP DOCDOC ATMOSFERAATMOSFERA Dow nw elling Dow nw elling � 27 sofreu alterações antropogênicas. Os valores médios encontrados ao nível do mar, para substâncias comuns em de ar seco, são apresentados na Tabela 2.3. Tabela 2.3 - Composição média do ar seco no nível do mar (1 atm; 298 K). Substâncias Concentração (ppm) Concentração (μg/m3) Nitrogênio (N2) 780 840 8,95.108 Oxigênio (O2) 209 460 2,74.108 Argônio (Ar) 9 340 1,52.107 Dióxido de Carbono (CO2) 315 5,67.105 Neônio (Ne) 18 1,49.104 Hélio (He) 5 8,50.102 Metano (CH4) 1 7,87.102 Criptônio (Kr) 1 3,43.103 Óxido de Nitrogênio (N2O) 0,50 9,00.102 Hidrogênio (H2) 0,50 4,13.101 Xenônio (Xe) 0,08 4,29.102 Fonte: SEINFELD (1984). A qualidade do ar é significativamente influenciada pela velocidade, direção dos ventos e a estabilidade atmosférica, que determina a dispersão dos poluentes nas massas de ar. Uma desigualdade ou instabilidade nas camadas atmosféricas produz a geração de crista e vales de capa cisalhante (figura 2.13). 28 Figura 2.13 - Formação da camada de mistura num regime turbulento (HARRISON, 2006). É natural que, sobre as cristas, a pressão seja menor que no interior dos vales de capa, uma vez que as velocidades são maiores e menores respectivamente (FREIRE et al., 2002). A camada de mistura produz, assim, turbulência atmosférica nas camadas mais baixas (HARRISON, 2006). A turbulência aumenta o poder de difusão de um escoamento; em conseqüência, a mistura de massas de ar com os contaminantes no escoamento é melhor em regimes turbulentos (FREIRE et al., 2002). Outro fator que afeta a instabilidade atmosférica além da turbulência é a temperatura. A pressão na atmosfera diminui exponencialmente com a altura; assim, o ar Camada cisalhante U1 U2 U1 U2 U2 U1 29 se movimenta mediante as quedas de pressão e densidade, as quais são modificadas pelo efeito Coriolis, tomando uma direção lateral descendente e ascendente. O ar ascendente se expande quando a pressão diminui e, com essa expansão, a temperatura diminui (figura 2.14). Simples cálculos baseados nas propriedades dos gases concluem que a temperatura atmosférica decresce com a altura a uma razão de 9,8oC.km-1 (HARRISON, 2006). Figura 2.14 – Circulação Atmosférica (NASA, 2004) Disponível em: . Acceso em: Abril 2008. Zona de Convecção Zona de Convecção Zona Quente Zona Fria Zona Fria 30 2.3 FLUXOS DE DIÓXIDO DE CARBONO ENTRE OS RESERVATÓRIOS Para ter o conhecimento de quais são os fluxos entre os reservatórios, aplicam-se os princípios de conservação de massa (ver equação 2.7), identificando onde se realiza o seqüestro e a armazenagem de dióxido de carbono atmosférico. O sistema que se utilizou consta de dois sistemas interligados. O principal sistema onde se realiza a armazenagem de dióxido de carbono é a atmosfera, a qual apresenta vários fluxos de entrada e saída. Esses fluxos de entradas e saídas pertencem a subsistemas de seqüestro e emissão de dióxido de carbono atmosférico. A figura 2.15 representa os sistemas a utilizados e como o sistema principal é interligado com os sistemas secundários. Cabe mencionar que a somatória dos fluxos dos reservatórios é a acumulação de dióxido de carbono atmosférico para o dito reservatório, o que também representa o seqüestro de dióxido de carbono da atmosfera. Para fazer o equacionamento deve-se primeiro aplicar a equação geral do balanço de massa: 2.7 Assim como o sistema principal é a atmosfera tem-se: atmatmatm OUTINACUM −= 2.8 2.9 SAÍDA do Sistema ACUM Dentro do Sistema ENTRADA ao Sistema (SAÍDA) ET (SAÍDA) OC ACUM (ENTRADA) ET (ENTRADA) OC (ENTRADA) ANTROP 31 Figura 2.15 - Identificação dos sistemas para o balanço de massa. Para o fluxo ou interação entre o ecossistema terrestre e a atmosfera se tem a equação 2.10: ENTRADA atmET co SAÍDA atmETcoatmETcoatmET co mmf dt dm _ . _ . __ 222 2 )()()( � � � � � � −== 2.10 e para o fluxo ou interação entre o oceano e a atmosfera tem-se a eq. 2.11: Emissão Antropogênica Ecossistema Terrestre Oceano Atmosfera Fluxo E.T._At Fluxo Oc._ Atm. Fluxo Antrop. SISTEMA PRINCIPAL SISTEMAS SECUNDARIOS 32 ENTRADA atmOC co SAÍDA atmOCcoatmOCcoatmOC co mmf dt dm _ . _ . __ 222 2 )()()( � � � � � � −== 2.11 e, por último, para a influência antropogênica e a atmosfera tem-se: ENTRADA atmANTROP co SAÍDA atmANTROPcoatmANTROPcoatmANTROP co mmf dt dm _ . _ . __ 222 2 )()()( � � � � � � −== 2.12 Na qual 0 _ . 2 =� � � � � � ENTRADA atmANTROP com . Assim, a equação para a influência antropogênica fica: SAÍDA atmANTROPcoatmANTROPcoatmANTROP co mf dt dm _ . __ )()()( 22 2 == 2.13 Juntando as equações 2.10, 2.11, 2.13 na equação 2.9 tem-se a equação 2.14: ( ) ( ) ( ) atmANTROPCOatmOCCOatmETcoatm fffACUM ___ 222 ++= 2.14 Na qual: ACUM atm= Acumulação anual de dióxido de carbono na atmosfera (TgC.ano-1) ( ) atmETcof _2 = Fluxo anual de dióxido de carbono entre o ecossistema terrestre e a atmosfera (TgC.ano-1) ( ) atmOCCOf _2 = Fluxo anual de dióxido de carbono entre o oceano e a atmosfera (TgC.ano-1) ( ) atmANTROPCOf _2 = Fluxo anual de dióxido de carbono das emissões antropogênicas à atmosfera (TgC.ano-1) 33 SAÍDA atmETcom _ . )( 2 = Massa anual de dióxido de carbono saindo do ecossistema terrestre à atmosfera (TgC.ano-1) . _)( 2 ENTRADA atmETCOm = Massa anual de dióxido de carbono entrando ao ecossistema terrestre da atmosfera.(TgC.ano-1) SAÍDA atmOCcom _ . )( 2 = Massa anual de dióxido de carbono saindo do oceano à atmosfera (TgC.ano-1) . _)( 2 ENTRADA atmOCCOm = Massa anual de dióxido de carbono entrando ao oceano da atmosfera (TgC.ano -1). SAÍDA atmANTROPcom _ . )( 2 = Massa anual saindo do sistema antropogênicas (TgC.ano-1). . _)( 2 ENTRADA atmANTROPCOm = Massa anual de entrando ao sistema antropogênico (TgC.ano-1) 2.3.1 Fluxo de CO2 entre Ecossistema Terrestre e Atmosfera Houghton (1999) assume que os mecanismos responsáveis pelos sorvedouros de dióxido de carbono atmosférico no ecossistema terrestre são: • Os fatores metabólicos que afetam a velocidade da fotossíntese, respiração, crescimento e decomposição nas plantas. • A taxa de crescimento da floresta perdida, na mudança de uso de solos, o manejo que afeta a mortalidade de floresta re-plantada, e assim a velocidade de acumulação de carbono no ecossistema terrestre. 34 2.3.1.1 Sistema dinâmico de intercâmbio de dióxido de carbono Durante a noite, a planta elimina uma parte do CO2 consumido majoritariamente pelas folhas. Outra pequena parte é acumulada para o incremento da planta e o restante é enviado para baixo do solo. A raiz toma uma pequena parte para seu crescimento e o restante é eliminado pela respiração da raiz e para a produção de detritos. Do total produzido nos detritos, uma quantidade é acumulada no solo para o incremento de carbono e outra parte é respirada, eliminando o CO2 à atmosfera. Este processo é mostrado esquematicamente na figura 2.16. Figura 2.16 - Processo de intercâmbio de CO2 do ecossistema terrestre – atmosfera (IPCC, 2001) Muitas árvores adquirem o CO2 mediante a difusão através dos diminutos poros nas folhas, onde o carbono é assimilado. Esse processo é chamado “assimilação” até chegar 35 ao local da fotossíntese. A quantidade total de CO2 que é dissolvida pelo reservatório corresponde a aproximadamente 270000 TgC.ano-1, um terço do CO2 total na atmosfera (HOUGHTON, 1986), mas só a metade deste carbono é utilizado para manter seus sistemas e prover energia para seu crescimento (RYAN, 1991). O resto é eliminado na forma de CO2 para a atmosfera mediante os processos de respiração. O processo de respiração é especificado como “respiração autotrófica” e “respiração heterotrófica”. A respiração autotrófica é realizada pela arvore para eliminar o excedente de CO2 assimilado; depois da morte da árvore, o carbono é re-utilizado pelos organismos próprios do solo que aproveitam o carbono armazenado. Esses organismos realizam a segunda respiração chamada “respiração heterotrófica”, eliminando assim outra quantidade de CO2. 2.3.1.2 Modelagem do processo de respiração das plantas e solos As quantidades de carbono na floresta registradas são um balanço de massa entre processos de aquisição de carbono (fotossíntese, crescimento das árvores, envelhecimento das árvores, acumulação de carbono no solo) e processos de eliminação de carbono (respiração da biomassa viva, mortalidade de árvores, decomposição, oxidação de solos, degradação e mudanças no uso de solos). Esses processos operam em uma escala de tempo e são influenciados pelos climas e variáveis ambientais, tais como a temperatura e a umidade. Para descrever o funcionamento do ecossistema como um todo, são utilizadas as interações dinâmicas entre os componentes dos processos de respiração. O intercâmbio do ecossistema líquido (NEE), também chamado balanço de carbono entre a floresta e a atmosfera, é quantificado mediante a covariância de Eddy (MALHI, 2001; HOUGHTON, 1999). O intercâmbio líquido do ecossistema considera fluxos opostos de entrada de CO2, próprio da fotossíntese, e a saída de CO2, resultante das respirações autotrófica e heterotrófica. Esses fluxos e as variáveis ambientais interagem. 36 Conforme mencionado, as plantas verdes, através do processo da fotossíntese, extraem energia solar e a convertem em uma forma útil para outros níveis na corrente de alimento. Neste processo, as plantas que contêm clorofila, produzem principalmente açúcares pela reação (2.1). O que define à fixação de carbono nas plantas do ecossistema terrestre para a produção de açúcares simples é a equação da reação (2.1). Do total de dióxido de carbono fixado (GPP), o excesso de CO2 é eliminados pelas árvores pela “respiração autotrófica”. Assim tem-se a equação 2.15: SARGPPNPP −= 2.15 Na qual NPP é a matéria aproveitável para o consumo dos micróbios e animais (heterótrofos). Se for consumida e não acumulada para o crescimento da planta, essa matéria é retornada à atmosfera mediante a respiração heterotrófica. O que não é consumido, é acumulado (NEP), como matéria para crescimento das plantas. Assim: SHRNPPNEP −= , 2.16 SERGPPNEP −= , 2.17 Na qual o RSE é a soma das respirações autotrófica e a heterotrófica. Todas essas equações são medidas em termos de massa de matéria orgânica em plantas e solos. Os termos de 37 produção representam os fluxos da atmosfera a o ecossistema terrestre, porém, para o intercâmbio do ecossistema terrestre (NEE) à atmosfera será: NEPNEE −= 2.18 Sendo: GPP = Produtividade Primária Total (TgC) NPP = Produtividade Primária líquida (TgC) NEP = Produtividade do Ecossistema líquida (TgC) NEE = Intercâmbio do ecossistema líquido (TgC) RSH = Respiração Heterotrófica (TgC) RSA = Respiração Autotrófica (TgC) 2.3.2 Fluxo de CO2 entre o oceano e a atmosfera A soma gás carbônico, bicarbonatos e carbonatos são chamados carbono Inorgânico Dissolvido (DIC); 90% do DIC se encontra na forma de HCO- 3, 8% na forma de CO2- 3, apenas 1% n forma de CO2. Somente o CO2 pode interagir com a atmosfera (LÊ QUERE e METZI, 2006). Atualmente encontra-se bem estabelecido que o CO2 é capturado pelos oceanos, principalmente em águas de medianas e elevadas latitudes, sendo a saída dos gases de CO2 geralmente pelas baixas latitudes. A distribuição do fluxo de CO2 oceano - atmosfera é controlado pela solubilidade e processos biológicos e físicos. O CO2 é mais solúvel em águas frias que em águas quentes. Quando as águas são aquecidas, o CO2 é retornado à atmosfera. Esse processo ocorre principalmente na região equatorial (baixa latitude), onde o processo de Upwelling traz águas frias das profundezas 38 oceânicas sendo aquecidas e as coloca nessa zona em contato com a atmosfera. Inversamente, o efeito da solubilidade, captura CO2 a medianas latitudes onde correntes de transporte de águas superficiais de zonas tropicais, principalmente de águas oceânicas intermédias e profundas, se colocam em contato em águas de zonas de medias e elevadas latitudes. Assim, o CO2 das profundezas é equilibrado com a atmosfera em águas de temperaturas frias, a qual gera uma concentração de 5% nas profundidades oceânicas que nas superfícies oceânicas (MURNANCE et al., 1999). A pressão parcial de CO2 em águas marinhas p(CO2) e o fluxo de CO2 variam regionalmente e globalmente com a temperatura de águas superficiais marinhas (SST), a produção biológica e as circulações oceânicas. Numerosas expedições oceânicas conduzidas desde os 1960 fizeram medições, e agora se podem estabelecer variações estacionais em escalas regionais e globais (TAKAHASHI et al., 2002). A diferença entre a p(CO2) das águas superficiais oceânicas e a do ar representa a termodinâmica que dirige o potencial de transferência do gás (CO2) através da superfície marinha. A direção da transferência líquida de gás é governada pelo diferencial de p(CO2), sendo que a magnitude do fluxo líquido do CO2 oceano-atmosfera pode ser expressa como produto entre a diferença de p(CO2) e a velocidade de transferência do gás, a qual pode ser parametrizada em função da velocidade do vento. Assim, então os valores do fluxo dependem dos registros de ventos e a formulação para a velocidade do vento depende da velocidade de transferência do gás. A variação sazonal e geográfica do p(CO2) das águas da superfície marinha é maior que a p(CO2) atmosférica e, como conseqüência, a direção e magnitude do fluxo oceano- atmosfera de transferência do CO2 são reguladas mediante o p(CO2) oceânico. A p(CO2) nas águas superficiais oceânicas varia nas estações do ano e geograficamente sobre uma ampla faixa, entre os 150 atm e 550 atm, que se situam 60% acima e abaixo, respectivamente, da p(CO2) média atmosférica de aproximadamente 360 atm, no ano 2000 (TAKAHASHI et al., 2002). 39 A p(CO2) nas águas marinhas misturadas que trocam o CO2 diretamente com a atmosfera é afetada por mudanças sazonais de temperatura, alcalinidade e concentração total de CO2. As temperaturas são reguladas pelos processos físicos (energia solar, intercâmbios de calor oceano-atmosfera, espessura das camadas de mistura) e a concentração de CO2 e a alcalinidade são reguladas pelos processos biológicos (fotossíntese, respiração e calcificação) e pelo upwelling de águas sub–superficiais enriquecidas com CO2 respirado e nutrientes. 2.3.2.1 Distribuição de p(CO2) das águas superficiais As figuras 2.17 e 2.18 mostram as áreas de baixa pressão parcial de CO2 (p(CO2)) que são encontradas em elevadas latitudes (cores azul e roxo) no oceano sul durante o verão austral, os oceanos subárticos e atlântico norte durante o verão norte (agosto), essas áreas representam um intenso sorvedouro de CO2 atmosférico, a qual é atribuída á fotossínteses a utilização de CO2 (TAKAHASHI, 2002). Uma extensa área de p(CO2) (cor azul-celeste) nas médias latitudes do pacífico norte e atlântico norte durante o inverno (fevereiro) é devida principalmente ao resfriamento de águas quentes e, assim, direcionada até elevadas latitudes. Uma similar característica é encontrada nas médias latitudes dos oceanos do hemisfério sul (agosto). 40 Figura 2.17 - Distribuição de p(CO2) de águas superficiais para fevereiro de 1995 (uatm) (TÄKAHASHI, 2002). Figura 2.18 - Distribuição de p(CO2) de águas superficiais para agosto de 1995 (uatm) (TÄKAHASHI, 2002). 41 Um elevado valor de pressões parciais de CO2 (p(CO2)) (verde, amarelo e vermelho) é observado no Pacifico equatorial devido ao upwelling rico em CO2 ao longo do equador e advecção de águas ricas em CO2 de costas americanas do sul (FEELY et al, 1999). Os valores das pressões parciais de CO2 (p(CO2)) na zona tropical do Pacífico diminui de este a oeste como resultado de utilização biológica do CO2, upwelling reduzido e perda de CO2 ao ar por interação do oceano e a atmosfera. Elevados valores de p(CO2) são observados no Pacifico subártico nordeste durante o inverno norte (fevereiro) e mares de Arábia durante verão norte (agosto). 2.3.2.2 Modelagem do Fluxo de CO2 Oceano atmosfera O fluxo líquido de CO2 pode ser estimado mediante a seguinte equação: atmosferaoceanoCOp�kF 2 ))(�(**= 2.19 sendo: =k Coeficiente de velocidade de transferência do CO2 (cm.hr-1) =� Solubilidade do CO2 com a água marinha (moles. atm-1) (WEISS, 1974) =)(� 2COp Diferencial de p(CO2) do oceano e da atmosfera (atm.cm-1) A )(� 2COp é obtido usando valores mensais de p(CO2) das águas superficiais e p(CO2) atmosférico. A pressão barométrica e a pressão de equilíbrio do vapor de água a uma temperatura e salinidade são utilizadas para calcular o p(CO2) )-()(=)( 22 wbairair ppconcCOCOp 2.20 42 Sendo: =)( 2COp Pressão parcial do CO2 ( atm.cm-1) =)( 2 airconcCO Concentração de CO2 no ar (mol.cm-1) =bp Pressão barométrica ( atm.mol-1) =wp Pressão do vapor d’água ( atm.mol-1) 2.4 EMISSÕES DE CO2 PELA INFLUÊNCIA ANTROPOGÊNICA 2.4.1 Emissões de dióxido de carbono referentes à queima de combustíveis fósseis e a conseqüência na energia mundial O setor energético é altamente dominado pela queima direta de combustíveis fosseis com oxigênio do ar. O processo carrega uma grande fonte de CO2, como subproduto da combustão (ver equação 2.21). Em combustão completa, todo o carbono pode ser convertido em CO2 (CARVALHO et al., 2007). 2222 88,11,09,088,15,0 NCOCONOC ++→++ 2.21 O setor energético é responsável por aproximadamente 80% da energia relacionada a emissões de dióxido de carbono. Essa percentagem é significativamente variável, de acordo com a estrutura energética nacional. Para uma estabilidade econômica e o desenvolvimento requerem-se energia, por isso a utilização de energia no mundo dobrou entre 1971 e 2004, com base nos combustíveis fósseis (figura 2.19). 43 Figura 2.19 - Fonte de energia primaria mundial em Gtn. óleo equivalente. (QUADRELLI et al., 2007) Atualmente há uma maior dependência sobre o uso de energia dos combustíveis fósseis, embora o uso da energia não fóssil tenha incrementado. A contribuição de CO2 devida a cada combustível é muito variável, sendo que o carvão representa um quarto (25%) das fontes de energia total. Ele causa 40% das emissões globais de CO2 devido ao elevado conteúdo de carbono por unidade de energia liberada. Comparado com o gás, o carvão é cerca de duas vezes mais poluente (figura 2.20). Figura 2.20 - Fontes de energia primaria mundial. Percentagem de combustível utilizado (acima), percentagem de emissões por combustível utilizado (embaixo).(modificado de QUADRELLI et al., 2007) 86% 81% 14% 19% 2 4 6 8 10 11 1971 2004 Combustível fóssil Combustível não-fóssil 40% 60% 80% 100% 20% 0% 35% 21% 19% 25% 40% 20% 40% CO2 TPES* Petróleo Carvão Gás Outros** 44 Há uma projeção de incremento nas emissões mundiais de dióxido de carbono de 26,9 bilhões de toneladas métricas no ano 2004 a 33,9 bilhões de toneladas métricas para o ano 2015, e 42,9 bilhões de toneladas métricas para o ano 2030 (IEO, 2007). O aumento das emissões de dióxido de carbono foi corroborado pelos dados obtidos pela Agência Internacional de Energia (EIA) com relação ao crescimento observado nas décadas passadas. Destacaram-se mudanças de taxas nas emissões passadas nas maiores regiões do mundo. Isso se deve a grupos de países com economias em transição, seguido de rápida deterioração na produtividade industrial subseqüente ao colapso do centralismo de suas economias. Perto de 2/3 das emissões mundiais no ano 2005 foram originadas por 10 países (figura 2.9), sendo a grande maioria proveniente dos Estados Unidos e da China. Figura 2.21 – 10 Paises com maiores emissões de dióxido de carbono no ano 2005 em TgC. (Energy Information Administration – Report Energy Information Outlook, 2007) 45 No passado, as emissões dobraram com os países industrializados. Mais recentemente, países em desenvolvimento, principalmente da Ásia e, em particular, a Índia, incrementaram o desenvolvimento de suas economias muito mais rápido entre os anos 1992 e 2004. Na figura 2.21 encontram-se incluídas nações com diferentes estruturas econômicas mais fortemente vinculadas com as emissões de dióxido de carbono. No ano de 2005, os Estados Unidos, a China, a Rússia, o Japão, e a Índia, os cinco primeiros emissores de CO2, produziram o 54% de dióxido de carbono, com 46% da população mundial (QUADRELLI, 2007). Os Estados Unidos geraram 22% das emissões de CO2 mundiais com somente um 5% da população mundial. Inversamente, a China contribui com um 18% das emissões e a Índia com um 4%, que são países conjuntamente com 40% da população mundial. Assim, os níveis de emissões por pessoa foram muito diversos, com uma faixa de 20 TgC de CO2 para os Estados Unidos, 4 TgC de CO2 para a China, e 1 TgC de CO2 para a Índia, conforme mostra a figura 2.22. Figura 2.22 - Emissões por pessoa para os 10 maiores paises consumidores de energia no mundo em TgC. 46 Uma maneira de olhar para o futuro do mundo dos mercados da energia está em analisar as tendências do consumo de energia na utilização final do nível setorial. Com exceção do setor de transporte, que é dominado pelo petróleo, baseado atualmente em produtos líquidos, a distribuição de energia no uso residencial, comercial e industrial varia muito de região para região, dependendo de uma combinação de fatores regionais, tais como a disponibilidade de recursos energéticos, o nível de desenvolvimento econômico, político e social e fatores demográficos. Emissões antropogênicas de CO2 são devidas principalmente ao consumo de energia de combustíveis fósseis. As estimativas de emissões globais foram feitas de 1980 a 2005 pela Agência Administração e Informação de Energia, (EIA*). A figura 2.23 sumariza as emissões dos anos 1995 a 2005, na qual se pode observar que, em dez anos, o incremento foi de 5392,67 TgC (106 Tn = 1012 gr.) e que a média das emissões foi de 490.24 TgC.ano-1. Figura 2.23 - Incremento das emissões de CO2 globais. (dados da EIA*, IEO2007) 47 2.4.2 Emissões de dióxido de carbono referente à mudança de uso de solos Diferentes fatores e mecanismos comandam o uso de solos e as transformações de solos. Em muitos casos, o clima, a tecnologia e a economia parecem determinar a mudança de uso de solos em diferentes escalas de tempo e espaço. A mudança de uso de solos é quase sempre associada com a mudança de florestas cobertas e está associada à mudança de reservas de carbono. Por exemplo, se uma floresta é desmatada, as reservas de carbono da biomassa do solo são removidas como produtos, eliminados pela combustão ou decomposição, em direção à atmosfera. Reservas de carbono em solos também seriam afetados, embora esses efeitos dependam dos efeitos do tratamento subseqüente do solo. Com o desmatamento, as reservas de carbono na biomassa sobre o solo podem novamente aumentar, dependendo do tipo de cobertura de solo associada com o novo uso do solo. Houghton (1999) indicou sete tipos de mudança para as reservas de carbono: 1) Conversão de ecossistema natural para bosques permanentes, 2) Conversão de ecossistema para mudança de cultivos, 3) Conversão de ecossistema para pastagem, 4) Abandono de bosques, 5) Abandono de pasto, 6) Safra de bosques, e 7) Estabilidade de plantação de árvores. Conforme o IPCC (2001), dependendo da temporada, o alcance dos fatores 6 e 7 pode ser considerado uma veloz mudança de uso de solos. Quando a floresta é desmatada para a agricultura ou pastagem (1,3), uma grande quantidade de biomassa pode ser queimada, eliminando mais rapidamente o carbono armazenado durante anos para a atmosfera. 48 A floresta desmatada também acelera a decomposição da madeira morta e de árvores jovens, além do carbono de subsolos orgânicos. Quando a terra úmida é arada para a conversão à agricultura e pastagem, os solos ficam expostos ao oxigênio. As reservas de carbono, as quais são resistentes à decomposição sobre condições anaeróbicas, prevalecem nos solos de terras úmidas, porém podem ser logo perdidas pela respiração anaeróbica (MINKKINEN e LAINE, 1998). Na média, os reservatórios de carbono dependem dos tipos de florestas e a extensão das terras cultivadas, as quais variam com as regiões. Alguns solos de matéria orgânica também são oxidados, para eliminação do carbono durante a mudança para campos de cultivo (DETWILER, 1986). Sob algumas condições, as mudanças de cultivos podem aumentar as reservas de carbono nas florestas e solos mediante um ciclo de crescimento para outro. O abandono da terra de cultivos e pastagem (4,5) pode resultar em recuperação de floresta a uma velocidade determinada pelas condições locais das regiões (BROWN e LUGO, 1982). A safra de bosques (6) quase sempre elimina carbono para a atmosfera através de efeitos indiretos de danos e destruição sobre a biomassa florestal, a qual logo se decompõe em lixo na floresta (isso pode ser minimizado com técnicas que reduzem essas conseqüências). A velocidade de declínio da safra de madeira depende do uso final. Se a plantação de árvores for realizada no solo que foi desmatado (7), inicialmente haveria emissões de carbono da biomassa e dos solos, mas a plantação poderia depois fixar o carbono em velocidades dependentes dos locais e das espécies. Para poder estimar o tempo da captura de carbono nas plantações florestais, ter-se-ia que considerar a velocidade de fixação para o crescimento no tempo. 2.5 IMPACTO NO CICLO DE CARBONO DEVIDO ÁS MUDANÇAS CLIMÁTICAS O ciclo de carbono é um processo que depende de variáveis físicas como a temperatura do ar, a pressão, velocidade dos ventos, índice de chuvas, etc. Essas variáveis 49 permaneceram quase constantes depois da última glaciação, durante milhões de anos. Registros passados dessas variáveis deram a conhecer que a mínima perturbação ou mudança pode trazer consigo conseqüências desastrosas para o ciclo de carbono e assim desestabilizar os reservatórios e suas interações. Nestes últimos anos, observou-se que o ciclo de carbono apresenta as seguintes modificações: • O aquecimento reduz a solubilidade de CO2; adicionalmente, reduz a captura de CO2 pelos oceanos. • É provável que tenham ocorrido incrementos verticais da estratificação nos oceanos pelos aumentos de temperatura. As conseqüências incluem a redução do mecanismo de transporte do excedente de carbono das águas profundas do oceano e as mudanças na produtividade biológica. • Em curtos intervalos de tempo, o aquecimento incrementa a velocidade de respiração heterotrófica no ecossistema terrestre, alterando os fluxos ecossistema terrestre-atmosfera. • Mudanças de práticas de manejo têm efeitos significativos no ciclo de CO2. • Deposição de nitrogênio antropogênico incrementa a produtividade primária líquida em algumas regiões. Porém, algum excesso de ozônio (O3) provavelmente reduz a produtividade primária líquida. 50 3 ÁREA DE ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE BANCO DE DADOS 3.1 LOCALIZAÇÃO E DELIMITAÇÃO DO ESPAÇO E TEMPO O presente estudo trabalha com zonas térmicas ou climáticas do planeta, as quais foram classificadas em três grupos: • Zona tropical, • Zona temperada, • Zona polar. Mediante a disponibilidade dos dados das diferentes estações de medição, foram utilizados dados medidos durante 11 anos, de janeiro de 1995 a dezembro de 2005. Os diferentes climas que essas zonas apresentam e a localização é descrita a seguir. 3.1.1 Zonas Tropicais Essas zonas se localizam entre os Trópicos de Câncer e de Capricórnio, aproximadamente nas latitudes 23,5 °N e 23,5 °S, respectivamente. Suas condições ambientais são estáveis; apresenta um estado de equilíbrio caracterizado pela maior diversidade de organismos. São zonas térmicas que estão presentes tanto no hemisfério norte como no hemisfério sul (ver Figura 3.1). Nessa região o sol é intenso durante todo o ano. Sua temperatura máxima é registrada em verão com 27O C em zonas secas, e a temperatura mínima registrada em inverno com 24OC em zonas úmidas. A precipitação média é de 2200 mm (MALHI, 1999). 51 Figura 3.1 – Mapa mundial com a zona Tropical “linha vermelha” (disponível na pagina web: www.commons.wikimedia.org ). 3.1.1.1 O clima das zonas tropicais O clima das zonas tropicais é caracterizado por temperaturas elevadas todos os meses do ano. Esses climas podem subdividir-se da seguinte maneira: • Tropical de floresta ou equatorial úmido: em todos os doze meses há precipitação de pelo menos 60 mm (MALHI, 1999). Esses climas são típicos de regiões próximas ao equador, e não têm estações do ano. Em alguns lugares esse clima tem a mesma umidade durante todo o ano, como acontece na Colômbia, mas na maior parte dos casos pode haver variação de chuvas. • Tropical de monções: Este clima resulta dos ventos de monções que mudam de direção de acordo com as estações. Este clima tem um mês mais seco, com menos de 60 mm de chuva (MALHI, 1999). • Clima tropical úmido e seco ou de savanas: Esse clima tem uma estação seca intensa, com o mês mais seco tendo precipitações menores que 60 mm (MALHI, 52 1999). Na maioria dos lugares que tem clima tropical úmido e seco, contudo, a estação seca ocorre durante a época de sol mais baixo e dias mais curtos. • Clima tropical de altitude: Tem o mesmo regime pluviométrico do clima tropical de savana, mais o regime de temperaturas é igual ao do clima subtropical, podendo ter ocasionalmente geladas, e muito raramente também precipitações de neve. 3.1.2 Zonas Temperadas As zonas térmicas chamadas zonas temperadas se localizam na zona compreendida entre trópicos e círculos polares em ambos hemisférios (23,5ON até 65ON e 23,5OS até 65OS) apresentando estações do ano bem definidas (ver Figura 3.2). A temperatura máxima registrada é de 23O C em verão e a mínima registrada é de 5O C em inverno, o índice de precipitações é de 1400 mm. A estação de crescimento é de 180 dias e os períodos de secas são entre meados de Junho e meados de Agosto (MALHI, 1999). • Zona Temperada Norte: Desde o Trópico de Câncer ao Círculo Polar Ártico. Nas zonas temperadas o índice UV alcança todos os níveis máximos da escala, ao redor dos dias 21-22 de junho de cada ano. Índices de níveis "Muito Altos" ocorrem com freqüência ao norte, no v