Sumário

13 Comunidades pelágicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

14 Comunidades bentônicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

15 Usos e abusos do oceano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

Uma palavra final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

Apêndice I

Medidas e conversões . . . . . . . . . . . . . . .363

Apêndice II

Tempo geológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367

Apêndice III

Latitude e longitude, tempo e navegação . 369

Apêndice IV

Mapas e cartas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .373

Apêndice V

Direito do Mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .379

Glossário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

Índice remissivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

Sobre o autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii

Prefácio para alunos e professores . . . . . . . . . . . . . . . . . ix

O plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi

1 Origens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 História . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3 A estrutura da Terra e tectônica de placas . . . . . . . . 43

4 Bacias oceânicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5 Sedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6 Água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111

7 Circulação atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8 Circulação oceânica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

9 Ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

10 Marés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

11 Costas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

12 Vida nos oceanos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

diatomáceas brilhantes e dados que indicam a importância econômica dos frutos do mar e dos materiais marinhos. Se é preciso um espetáculo para que alguém se interesse pelo estudo de uma ciência, a oceanografia ganha com folga!

Entretanto, no fim, é a sutileza que triunfa. O estudo do oceano nos traz de volta o encan-tamento que sentimos, na infância, quando entramos em contato com a natureza pela pri-meira vez. A história do oceano é de mudanças e de destino, escrita nas rochas, na água, nos genes dos milhões de organismos que ali se de-senvolveram. Meu objetivo é ajudar os alunos que usam este livro a obter uma visão oceâni-ca. Ter visão é uma forma de ver as coisas em termos de importância relativa ou das relações que estabelecem entre si. Uma visão oceânica nos ajuda a ver este planeta, que tem o nome errado, de uma maneira diferente e auxilia no planejamento do futuro que daremos a ele. Você verá que a água, os continentes, o fundo do mar, a luz do Sol, as tempestades, as algas marinhas e a sociedade estão relacionados de maneiras sutis e belas.

Prefácio para alunos e professores

Este livro foi escrito para oferecer uma visão geral interessante, clara e relativamente breve sobre ciências do mar. É dirigido para univer-sitários que têm curiosidade de aprender sobre a maior característica da Terra, mas que talvez tenham pouco ou nenhum conhecimento for-mal a respeito dessa ciência. De fato, a oceano-grafia – o estudo do oceano – é um curso ideal para alunos que desejam preencher requisitos gerais de educação. A oceanografia é ampla-mente interdisciplinar: os alunos podem en-tender a relação entre astronomia, economia, física, química, história, meteorologia, geolo-gia e ecologia – áreas que já estudaram separa-damente. Não é de surpreender o aumento na popularidade dos cursos de oceanografia nos últimos dez anos.

Os alunos contribuem com um entusias-mo natural no estudo dessa área. Até mesmo o leitor mais indiferente ficará interessado ao ler histórias sobre ondas enormes, relatos de explo-ração sob as melhores e as piores circunstâncias, evidências de que grandes partes da superfície do planeta se movem lentamente, gráficos de

mina com uma pesquisa ecológica sobre or-ganismos marinhos. O último capítulo abor-da recursos marinhos e preocupações com o meio ambiente.

As relações entre as disciplinas são enfati-zadas ao longo do texto. As ciências do mar se estendem por diversos campos de estudo, integrando e unificando o trabalho de especia-listas. Por exemplo, um geólogo, que estuda a composição dos sedimentos marinhos no as-soalho oceânico, deve conhecer a biologia e o histórico de vida dos organismos existentes na água; os fatores químicos que afetam as cara-paças e os esqueletos das criaturas, à medida que descem para o assoalho; a física com rela-ção à fixação de partículas, densidade da água e correntes oceânicas, e o tempo e a geologia que servem como base para o estudo da área. Este livro foi organizado de modo a estabele-cer essas relações desde o princípio.

O plano

O plano do livro é direto: como toda a maté-ria da Terra – exceto o hidrogênio e um pouco de hélio – foi gerada nas estrelas, a história sobre o oceano começa com as estrelas. O oceano se desenvolveu em algum outro lu-gar? Continuamos com uma breve análise da história das ciências do mar (com mais infor-mações históricas nos últimos capítulos). As teorias da estrutura da Terra e das placas tec-tônicas são apresentadas, em seguida, como uma base sobre a qual construir a explicação das características principais que se seguem. Uma pesquisa sobre a física e a química dos oceanos nos prepara para discussões sobre a circulação atmosférica, oceanografia física clássica e processos litorâneos. A análise sobre a biologia marinha inicia com uma visão ge-ral dos problemas e dos benefícios da vida no mar, prossegue com uma discussão a respeito da produção e do consumo de alimentos e ter-

Capítulo 1

Origens

História do oceano

Pense em oceanografia como a história do oceano. Neste primeiro capítulo, o personagem prin-cipal – o oceano global – é apresentado em largas pinceladas. Iniciaremos nosso estudo com uma visão geral do processo científico e, em seguida, relataremos a longa e surpreendente história de sua formação.

As ciências marinhas, assim como outras, baseiam-se na curiosidade. Em especial, a pergunta “Como saber?” é vital para o entendimento do mundo físico. Abordaremos as características e os processos daquilo que conseguimos ver, ouvir, sentir e tocar por meio do método científico, um modo sistemático de fazer e responder perguntas sobre o mundo natural. Neste capítulo, assim como em todo o livro, tenha em mente a lógica científica que confirma e justifica os objetos e as ideias sobre os quais irá aprender. É sempre bom fazer perguntas!

O processo de questionar e explicar sobre o oceano ocupa nossa mente desde a primeira vez que o ser humano encontrou um grande corpo de água salgada. Vista do espaço, a Terra é azul brilhante e branca em áreas onde há gelo, nuvens e, às vezes, espirais de tempestades. A superfí-cie é coberta por um imenso oceano que modera a temperatura e influencia significativamente o clima. Ele margeia muitas das maiores cidades do planeta, é a rota principal de transporte e navegação, fornece muito alimento e suas profundezas garantem quase um terço do suprimento mundial de petróleo e gás natural. Quase não se consegue ver a área de Terra, onde praticamente toda a história da humanidade se desenvolveu, pois aproximadamente três quartos do planeta são cobertos por água. Certamente, Oceanus seria um nome bem melhor para nosso planeta.

Um mundo oceânico

O planeta Terra não é muito grande, e sua composição total também não é incomum. Nosso Sol e sua posição na galáxia não são notáveis. O que o torna extraordinário é o oceano que do-mina a superfície coberta de nuvens. Esse oceano azul brilhante afeta e modera a temperatura e influencia significativamente o clima. As criaturas que nele vivem fornecem aproximadamente 2% de alimento para a humanidade. Das profundezas, é retirado quase um terço do suprimento mundial de petróleo e gás natural. Ele margeia muitas das maiores cidades – quase metade dos 6 bilhões de habitantes do planeta vive a 240 quilômetros da costa. É a principal rota de navegação e comunicação e uma fonte importante para recreação. Quase não se consegue ver a área de Terra onde praticamente toda a história da humanidade se desenvolveu, pois aproximadamente três quartos são cobertos por água.

2 ◆ Fundamentos de oceanografia

mais espessa. O oceano corresponde a pouco mais de 0,02% da massa da Terra ou 0,13% de seu volume. Existe muito mais água presa no interior da Terra que no oceano e na at-mosfera. Algumas características são apresen-tadas na Figura 1.2.

O oceano global cobre aproximadamente 71% da superfície da Terra. Para ficar mais claro, foi di-vidido em oceanos e mares, mas existe apenas uma grande massa de água salina.

Ciências do mar, oceanografia e a natureza da ciência

Ciências do mar (ou oceanografia) é o proces-so de descoberta de princípios unificadores nos dados obtidos em pesquisas no oceano, as for-mas de vida existentes e as áreas de Terra que o limitam. Envolve várias disciplinas e integra os campos da geologia, física, biologia, química e engenharia, pois todas se aplicam ao oceano e a ambientes adjacentes. Quase todos os cientistas se especializam em uma área de pesquisa, mas também precisam ter conhecimento de áreas relacionadas e valorizar a ligação entre elas.

A ◆ geologia marinha preocupa-se com ques-tões como a composição do interior da Terra, a mobilidade da crosta, as caracterís-ticas dos sedimentos do assoalho oceânico e a história do oceano, dos continentes e do clima. Parte do trabalho engloba áreas de grande preocupação pública e científica, incluindo a previsão de terremotos e a dis-tribuição de recursos valiosos. A ◆ oceanografia física estuda e observa a di-nâmica das ondas, as correntes e a interação atmosfera-oceano. As previsões das tendên-cias climáticas em longo prazo tornam-se cada vez mais importantes, uma vez que os poluentes afetam a atmosfera terrestre.

O oceano1 pode ser definido como um imenso corpo de água salgada que ocupa as depressões da superfície da Terra. Ele contém mais de 97% da água na superfície ou próxi-mo dela; menos de 3% estão na forma de gelo, em áreas terrestres, de água subterrânea e de toda a água de lagos e rios (ver Figura 1.1).

Tradicionalmente, é dividido em segmentos menores, chamados oceanos e mares, utilizando os limites dos continentes e de linhas imagi-nárias a exemplo do Equador. Na verdade, há poucas divisões naturais, pois existe apenas uma imensa massa de água. O Oceano Atlânti-co, o Pacífico, o Mar Báltico e o Mar Mediter-râneo, como são chamados por conveniência, são, na realidade, partes de um único oceano global. Neste livro, refiro-me a ele como uma única entidade, com características sutilmente distintas em locais diferentes, mas com muito poucas divisões naturais. Essa visão enfatiza a interdependência entre oceano e Terra, vida e água, circulação oceânica e atmosférica, am-bientes naturais e construídos pelo homem.

Na escala humana, o oceano é incrivelmente grande, pois cobre 361 milhões de quilômetros quadrados da superfície da Terra. A profundi-dade média é de 3.796 metros, o volume de água é de 1,37 bilhão de quilômetros cúbicos, e a temperatura média é de 3,9ºC. A massa cor-responde a 141 bilhões de bilhões de toneladas. Se a superfície da Terra fosse nivelada, como uma bola, o oceano a cobriria com uma pro-fundidade de 2.686 metros. A elevação média da Terra é de apenas 840 metros, mas a média de profundidade do oceano é 4,5 vezes maior!

Entretanto, em escala planetária, o ocea-no é insignificante. A profundidade média é apenas uma pequena fração do raio da Terra – a área azul que representa o oceano em um globo de papel de 24 cm é proporcionalmente

1 Quando um termo importante for introduzido e defini-do, estará em negrito. Esses termos têm sua definição apre-sentada no glossário.

Origens ◆ 3

FIGUrA 1 .1 Quantidade relativa de água em vários locais na superfície da Terra ou próximo dela. Mais de 97% da água está no oceano. De toda a água da superfície, o gelo em áreas terrestres corresponde a aproximadamente 1,7%, a água subterrânea a 0,8%, os rios e lagos a 0,007% e a atmosfera a 0,001%.

Geleiras68,7%

Água subterrânea30,1%

Água salgada97,5%

Água doce2,5%

Água da atmosfera e da superfície0,4%

Permafrost0,8%

Lagos de água doce67,4%

Total de Água

Água da atmosfera e da superfície

Umidade do solo12,2%

Atmosfera9,5%

Pântanos8,5%

Rios 1,6%Biota 0,8%

Água Doce

Ponto mais profundo do oceano: Fossa das Marianas (11.022 metros)

Área: 361.100.000 quilômetros quadrados Massa: 141 bilhões de bilhões de toneladas Volume: 1.370.000.000 quilômetros cúbicos Profundidade média: 3.796 metros Temperatura média: 3,9ºC

Montanha mais alta: Havaí (10.203 metrosdesde o assoalho oceânico)

Hemisfério Norte: 60,7% de mare 39,3% de terra

Hemisfério Sul: 80,9% de mare 19,1% de terra

Salinidade média: 34.482 gramas por quilo (3,4%)Elevação média de terra: 840 metros Idade: aproximadamente 4 bilhões de anosFuturo: incerto

Algumas Estatísticas sobre o Oceano

FIGUrA 1 .2 Proporção mar versus Terra em uma projeção de área equivalente (um mapa que representa as áreas em sua proporção relativa correta). A profundidade média do oceano é 4,5 vezes maior que a elevação média da Terra. Observe a extensão do Oceano Pacífico, de maior destaque na superfície do planeta.

4 ◆ Fundamentos de oceanografia

natural que pode ser testada e confirmada ou descartada por futuras observações e experi-mentos (testes que simplificam a observação, na natureza ou no laboratório, com a manipu-lação ou controle de condições sob as quais as observações são realizadas). Uma hipótese com fundamentação consistente, por meio da obser-vação ou de experimentos, é considerada teo-ria, um relato que explica as observações feitas. As construções mais amplas, conhecidas como leis, resumem as observações experimentais. Leis são princípios que explicam os eventos da natureza que, segundo a observação, ocorrem com uniformidade invariável sob as mesmas condições. Uma lei resume as observações, e a teoria apresenta a explicação destas.

As teorias e leis da ciência não surgem completamente formadas ou todas de uma única vez. O pensamento científico progride em uma cadeia contínua de questionamentos, testes e relação da teoria com as observações. Uma teoria se fortalece quando novos fatos a comprovam. Caso contrário, ela é modificada ou procura-se obter nova explicação. O poder da ciência está na capacidade de operar o pro-cesso em reverso, ou seja, no uso de uma teoria ou lei para fazer previsões e antecipar novos fatos a serem observados.

Esse procedimento, denominado método científico, é um processo organizado que con-firma ou rejeita teorias. Baseia-se no pressu-posto de que a natureza “joga limpo” e que as leis que governam um fenômeno natural não se modificam por capricho, à medida que melhoram as capacidades de questionar e ob-servar. Acreditamos que as respostas de nossos questionamentos sobre a natureza são basica-mente reconhecíveis.

Não existe um único “método científico”. Alguns pesquisadores observam um fenômeno e elaboram relatos sobre ele, e delegam a ou-tros o desenvolvimento das hipóteses. Os cien-tistas não adotam um único método, o que há é a atitude crítica sobre o que está sendo

A ◆ biologia marinha trabalha com a natureza e distribuição dos organismos marinhos, o impacto dos poluentes atmosféricos e oceâ-nicos nesses organismos, o isolamento de drogas para combater doenças, retiradas de espécies marinhas e a produção pesqueira. A ◆ oceanografia química estuda gases e sóli-dos dissolvidos no oceano e sua relação com a geologia e a biologia do oceano como um todo. A ◆ engenharia naval projeta e monta plata-formas de petróleo, navios, portos e outras estruturas que permitem fazer uso do ocea-no com sabedoria.

Outras áreas estudam as técnicas de previ-são do tempo, formas de aumentar a segurança da navegação, métodos para gerar eletricidade, para citar apenas algumas.

Ciências do mar (ou oceanografia) é o processo de descoberta de princípios unificadores nos da-dos obtidos em pesquisas no oceano. É uma área interdisciplinar, ou seja, envolve muitos campos da pesquisa científica.

Atualmente, o oceanógrafo questiona as-pectos críticos sobre a origem do oceano, a idade das bacias e a natureza das formas de vida que abriga. Ciência é um processo siste-mático de indagar sobre o mundo que se pode observar, por meio da coleta de informações (dados) e posterior estudo destas, mas a in-formação em si não é ciência. Ela interpreta a informação pela construção de uma explicação geral compatível com a informação.

O cientista formula uma pergunta que re-flete o desejo de compreender algo que foi ob-servado ou medido. Então, elabora uma expli-cação experimental para aquela observação ou medição. Essa explicação se chama hipótese de pesquisa, uma especulação sobre o mundo

Origens ◆ 5

consistentemente às observações, poderão ser consideradas verdade.

Este livro apresenta alguns resultados do processo científico aplicado ao oceano global. Exibe fatos, interpretação de eventos, exem-plos, histórias e algumas descobertas cruciais que proporcionaram o entendimento atual sobre o oceano e o mundo em que se formou. À medida que os resultados da ciência se mo-dificam, as ideias apresentadas em livros como este também se modificam.

Ciência é o processo de questionar sobre o mun-do que se pode observar e testar as respostas para esses questionamentos. O mundo externo, não a convicção interna do cientista, deve ser o campo de testes para as crenças científicas.

mostrado, e não sobre o que está sendo falado, e o emprego de uma abordagem lógica para a solução do problema. A Figura 1.3 resume os aspectos principais do método científico. Observe que o processo é circular, uma vez que novas teorias e leis sempre sugerem novos questionamentos.

Pelo método científico, nada é provado como verdade absoluta. As teorias podem mudar conforme mudam o conhecimento e o poder de observação, portanto todo enten-dimento científico é experimental. A ciência não é um processo democrático nem um con-curso de popularidade. As conclusões obtidas sobre o mundo natural, pelo processo da ciên-cia, nem sempre serão satisfatórias, facilmen-te entendidas ou imediatamente aceitas. En-tretanto, se essas conclusões corresponderem

Hipótese

Proposta de uma explicação experimental. Experimentos controlados são planejados para provar ou rejeitar as potenciais relações de causa e efeito. Uma boa hipótese pode prever futuras ocorrências em circunstâncias semelhantes.

Teoria

Os padrões surgem. Se uma ou mais relações persistem, a hipótese se transforma em teoria, uma explicação para as observações, aceita pela maioria dos pesquisadores.

Observações e medições

O que está acontecendo? Em que circunstâncias? Quando? Como opera? Existe uma relação de causa e efeito con�ável no processo?

Lei

A teoria pode se transformar em construções mais amplas: leis. Elas explicam os eventos da natureza que ocorrem com uniformidade invariável, sob condições idênticas, e resumem as observações experimentais.

Curiosidade

Pergunta sobre um evento ou uma situação: Por que e como isto acontece? Por que acontece deste modo?

Experimentos

Testes são realizados na natureza ou no laboratório e permitem manipular e controlar as condições em que as observações são realizadas.

FIGUrA 1 .3 Um esboço do método científico, processo sistemático de questionar sobre o mundo que se pode observar e depois testar as explicações feitas para esses questionamentos. Não existe um único “método científico”. A ciência depende de uma atitude crítica sobre o que está sendo mostrado, ao invés do que está sendo falado, e do emprego de uma abordagem lógica para a solução do problema. A aplicação do método científico leva à verdade com base nas observações e nos experimentos realizados, um trabalho contínuo, que nunca termina. Na verdade, a formulação de novas teorias e leis sempre provoca outras questões. O mundo externo, não a convicção interna do cientista, deve ser o campo de testes para as crenças científicas.

6 ◆ Fundamentos de oceanografia

gravidade. Nossa galáxia chama-se Via-Láctea (do grego galaktos, que significa “leite”).

As estrelas que formam uma galáxia são imensas esferas de gases incandescentes. Geral-mente, estão misturadas com nuvens difusas de gás e fragmentos de rocha. Nas galáxias em es-piral, a exemplo da Via-Láctea, as estrelas estão distribuídas em braços que irradiam do centro galáctico. Outras galáxias têm formato elíptico ou irregular. A Via-Láctea contém muitas es-trelas, mas, como a distância entre as galáxias é muito grande, a estrela mais próxima do Sol fica a 42 trilhões de quilômetros de distância. Os astrônomos afirmam que existem aproxi-madamente 100 bilhões de galáxias no uni-verso e 100 bilhões de estrelas em cada uma. Imagine mais estrelas na Via-Láctea que grãos de areia na praia!2

O Sol, uma estrela típica, e os planetas compõem o sistema solar, que está situado a quase três quartos do centro da galáxia, em um braço espiral. O sistema solar gira na órbi-ta do núcleo da galáxia e são necessários 230 milhões de anos para completar uma volta, mesmo movendo-se a quase 280 quilômetros por segundo. A Terra já completou aproxima-damente 20 circuitos da galáxia, desde que o oceano se formou.

A vida de uma estrela começa quando a área difusa de uma nebulosa passa a se enco-lher e aquecer sob a influência da própria gra-vidade fraca. Gradualmente, essa esfera com formato de nuvem se achata e condensa-se no centro, em um amontoado de gases chamado proto-estrela (proto significa “primeiro”). O diâmetro original de uma proto-estrela pode ser muitas vezes maior que o diâmetro do sistema solar, mas a energia gravitacional faz que se contraia, e essa compressão aumenta a temperatura interna. Quando a proto-estrela

2 Em julho de 2003, os cientistas anunciaram que o nú-mero de estrelas no universo conhecido era de 70 sextilhões – quase dez vezes mais estrelas que os grãos de areia em todas as praias e desertos do mundo!

Origens

Sempre pensamos sobre nossa origem – de que modo a Terra se formou, o oceano surgiu, foi o início da vida. Nos últimos 50 anos, os cientistas determinaram uma idade aproxima-da para o oceano, a Terra e o universo, usando o método científico. Eles desenvolveram hi-póteses sobre como a matéria se acumula, os planetas e as estrelas se formam, até mesmo como pode ter ocorrido o princípio da vida. Muitos desses aspectos ainda são vagos, mas as hipóteses apresentadas previram algumas descobertas recentes importantes na física subatômica e na biologia molecular. Talvez a descoberta mais importante do século XX nas ciências naturais tenha sido sobre a origem e a história do universo.

Aparentemente, o universo teve um início. O big-bang, como é geralmente chamado, ocorreu há quase 14 bilhões de anos. Acredita--se que toda a massa e a energia do universo se concentraram em um ponto geométrico no princípio do tempo e do espaço, o momento em que o universo começou a se expandir. Não se sabe o que disparou essa expansão, mas ela continua a acontecer e provavelmente conti-nuará por bilhões de anos, talvez para sempre.

No início, o universo era imensamente quente, mas resfriou à medida que expandia. Quase um milhão de anos após o big-bang, as temperaturas já haviam diminuído o suficien-te para que a energia e as partículas que pre-dominavam até aquele momento formassem átomos. A maior parte desses átomos era de hidrogênio, matéria que era, e continua a ser, a mais abundante no universo. Um bilhão de anos após o big-bang, essa matéria começou a se transformar nas primeiras galáxias e estrelas.

Galáxias e estrelas

Uma galáxia é uma imensa concentração de estrelas, gás, poeira e rochas agrupadas pela

Origens ◆ 7

temperatura interna. Quando o material que está sendo sugado não pode mais ser compri-mido, a energia da compressão é convertida em uma expansão cataclísmica chamada superno-va. A liberação de energia em uma supernova é tão repentina que a estrela se parte em peque-nos pedaços e a massa é expelida praticamente na velocidade da luz. A explosão dura apenas 30 segundos, mas, nesse curto espaço de tem-po, as forças nucleares que separam os núcleos atômicos individuais são dominadas e átomos mais pesados que o ferro se formam. O ouro dos anéis, o mercúrio dos termômetros e o urâ-nio das usinas nucleares foram criados durante uma explosão violenta como essa. Os átomos produzidos por uma estrela, durante milhões de anos de fusão organizada, e os átomos pe-sados, gerados em poucos momentos de caos inimaginável, são lançados ao espaço. Cada elemento químico mais pesado que o hidrogê-nio, que corresponde à maior parte dos átomos que formam os planetas, o oceano e as criaturas vivas, foi produzido pelas estrelas.

A formação do sistema solar

A Terra e o oceano resultaram indiretamente da explosão de uma supernova. A nuvem fina, chamada nebulosa, que deu origem a nosso Sol e aos planetas foi provavelmente atingi-da por uma onda de choque e por parte dos fragmentos de uma supernova em expansão. Na verdade, a turbulência do encontro pode ter causado o início da condensação do sis-tema solar. A nebulosa foi afetada em, pelo menos, dois modos importantes: primeiro, a onda de choque fez que a massa em conden-sação girasse; segundo, a parte dos átomos pesados dos fragmentos da supernova foram absorvidos. Em outras palavras, uma estrela imensa teve sua vida (desenvolvendo elemen-tos no processo) e depois sofreu desintegração por explosão para devolver elementos pesados ao berçário de poeira e gás de onde surgiu o

alcança a temperatura de aproximadamente 10 milhões de graus Celsius, começa a fusão nuclear, ou seja, os átomos de hidrogênio se fundem e formam o hélio, um processo que li-bera ainda mais energia. A liberação rápida de energia, que marca a transição de proto-estrela a estrela, interrompe o encolhimento da jovem estrela. (A primeira metade da Figura 1.4 apre-senta esse processo).

Após o início da fusão, a estrela se es-tabiliza, não se contrai nem se expande, e consome o hidrogênio em velocidade cons-tante. Durante uma vida longa e produtiva, a estrela transforma grande porcentagem do hidrogênio em átomos pesados como os de carbono ou oxigênio. Porém, essa fase de es-tabilização não dura para sempre. A história de vida e morte de uma estrela depende da massa inicial. Quando uma estrela de mas-sa média (como o Sol) começa a consumir átomos de carbono ou oxigênio, a saída de energia aumenta levemente, o corpo se trans-forma e alcança um estágio em que passa a ser chamada gigante vermelha. Essa gigante, que está morrendo, pulsa lentamente, engole os planetas do sistema e expele cascas concên-tricas de gás leve enriquecido com elementos pesados. Contudo, a maior parte do carbono e do oxigênio fica presa nos resíduos que es-tão resfriando, em seu coração.

Estrelas com massa maior que a do Sol têm vida mais curta, porém mais interessante. Elas também fundem hidrogênio para formar áto-mos pesados a exemplo dos de carbono ou oxi-gênio, mas, como são maiores e mais quentes, as reações nucleares internas consomem hidro-gênio em velocidade muito maior. Além disso, a temperatura mais alta no núcleo permite a formação de átomos que apresentam a massa do ferro.

A fase de extinção de uma estrela gigante inicia-se quando o núcleo entra em colapso, com o esgotamento do hidrogênio. Essa com-pressão rápida provoca o aumento excessivo da

8 ◆ Fundamentos de oceanografia

Uma nebulosa (grande nuvem difusa de poeira e gás) se contrai com a força da gravidade. À medida que se contrai, ela se aquece, achata-se e gira mais rápido, tornando-se um disco de poeira e gás.

O hidrogênio e o hélio permanecem gases, mas outros materiais podem se condensar em "sementes" sólidas para a formação de planetas.

As "sementes" sólidas colidem e se juntam. As maiores atraem outras com a força da gravidade e aumentam cada vez mais.

Temperaturas quentes permitem que apenas "sementes" de rocha/metal se condensem no sistema solar interno.

Planetas terrestres se formam de rochas e metais.

Temperaturas frias permitem que as "sementes" contenham gelo em abundância no sistema solar externo.

Sementes crescem e atraem hidrogênio e hélio, tornando-os planetas gigantes, na maioria gasosos; as luas se formam em discos de poeira e gás que circundam esses planetas.

Planetas terrestres permanecem no sistema solar interno.

Fora de escala

"Sobras" do processo de formação se tornam asteroides (rocha/metal) e cometas (gelo, na maior parte).

Gigantes gasosos permanecem no sistema solar externo.

A estrela nasce no centro. Os planetas se formam no disco.

FIGUrA 1 .4 A origem de um sistema solar no braço espiral de uma galáxia. Nosso Sol e seus planetas se formaram desse modo há mais de 5 bilhões de anos.

Origens ◆ 9

esses gases somente se solidificam em baixas temperaturas.

O período de acreção durou talvez de 30 a 50 milhões de anos. O proto-Sol tornou-se uma estrela – nosso Sol – quando a tempe-ratura interna alcançou nível suficiente para transformar os átomos de hidrogênio em hé-lio. A violência dessas reações nucleares criou um vento de radiação que varreu os planetas mais próximos, limpando a área do excesso de partículas e encerrando o período de acreção rápida. Gases como os que são vistos nos pla-netas gigantes externos podem ter envolvido os internos, mas o avanço da energia solar e das partículas os dispersou.

Os objetos que compõem nosso sistema solar se condensaram há aproximadamente 5 bilhões de anos de uma nuvem fina enriquecida por ele-mentos pesados que foram lançados por explo-sões de estrelas.

Terra e oceano

A jovem Terra, formada pela acreção de par-tículas frias, provavelmente era homogênea. Então, durante a fase de acreção, a superfície foi aquecida pelo impacto de asteroides, co-metas e outros fragmentos de rocha. Esse ca-lor, combinado com a compressão gravitacio-nal e com o calor liberado pela decomposição dos elementos radioativos que se acumulavam, provocou o derretimento parcial da Terra. A gravidade atraiu a maior parte do ferro e do níquel para o centro, e formou o núcleo do planeta. Essa concentração de ferro gerou imensas quantidades de energia gravitacio-nal que, por meio da fricção, aqueceu a Terra ainda mais. Ao mesmo tempo, minerais leves – compostos de silício, magnésio, alumínio e oxigênio – afloraram à superfície e formaram a crosta (Figura 1.5). Esse importante processo,

sistema solar. Os planetas são feitos da maté-ria reunida em uma estrela (ou estrelas) que desapareceu há bilhões de anos. Somos feitos dessa poeira. Os ossos e o cérebro são com-postos de átomos antigos, construídos por meio da fusão estelar, muito antes que o siste-ma solar existisse.

Há aproximadamente 5 bilhões de anos, a nebulosa solar era uma massa giratória em for-ma de disco, contendo perto de 75% de hidro-gênio, 23% de hélio e 2% de outros materiais (inclusive elementos pesados, gases, poeira e gelo). Como uma patinadora que gira mais rá-pido à medida que traz os braços para perto do corpo, a nebulosa girava mais rápido ao mesmo tempo que se condensava. O material concen-trado perto do núcleo tornou-se o proto-Sol. Grande parte do material externo transformou--se em planetas, corpos menores, sem luz pró-pria, que giram na órbita de uma estrela.

Observe a Figura 1.4. Os novos planetas se formaram no disco de poeira e fragmentos de rocha que envolvem o jovem Sol por meio de um processo conhecido como acreção – aglu-tinação de pequenas partículas que aumentam a massa de um corpo. As partículas maiores, com gravidade mais forte, atraíam a maior parte da matéria em condensação. Perto do proto-Sol, onde as temperaturas eram mais al-tas, os primeiros materiais a se solidificar foram substâncias com ponto alto de ebulição, prin-cipalmente metais e certos minerais rochosos. O planeta Mercúrio, o mais próximo do Sol, é formado basicamente de ferro, que perma-nece sólido em altas temperaturas. Nas regiões mais distantes e frias, o magnésio, o silício, a água e o oxigênio se condensaram. O metano e a amônia acumularam-se nas zonas externas frias. A formação de água, de compostos de si-lício e oxigênio e de metais resultou da posição média naquela nuvem aglutinante. Os plane-tas do sistema solar externo – Júpiter, Saturno, Urano e Netuno – são principalmente com-postos de gelo de amônia e de metano, pois

10 ◆ Fundamentos de oceanografia

chamado estratificação de densidade, durou, talvez, 100 milhões de anos.3

Estratificação da Terra. Durante a formação, os materiais pesados se concentraram e formaram o núcleo, as substâncias mais leves formaram as ca-madas externas. Oceano e atmosfera são camadas menos densas.

Então a Terra começou a resfriar. Acredita--se que a primeira superfície tenha se forma-do há 4,5 bilhões de anos. Mas essa superfície logo foi alterada, pois um corpo celeste maior que Marte atingiu a jovem Terra. O núcleo metálico caiu no núcleo da Terra e se fundiu. O manto rochoso foi ejetado e se fragmentou. Esses fragmentos depois se condensaram e se transformaram na Lua. Uma catástrofe seme-lhante poderia acontecer hoje? Este assunto será discutido no Capítulo 12.

A radiação do jovem Sol varreu a camada mais externa de gases, a primeira atmosfera, mas, logo, outros gases que estavam presos dentro do planeta em formação subiram para a superfície e formaram uma segunda atmosfe-ra. A emissão vulcânica de substâncias voláteis, incluindo vapor d’água, chama-se liberação de gases. Conforme o vapor quente ascendia, ele se condensava e formava nuvens na atmos-fera superior mais fria. Embora a maior parte da água da Terra estivesse presente na nebulosa durante a fase de acreção, pesquisas recentes sugerem que a colisão de cometas gelados tam-bém possa ter contribuído para o acúmulo de uma parte das massas de água que formariam o futuro oceano.

3 Densidade significa o peso relativo de uma substância; é definida como massa por unidade de volume de uma substância, geralmente expressa em gramas por centímetro cúbico (g/cm3). A densidade da água pura é de 1 g/cm3. O granito é 2,7 vezes mais denso, com 2,7 g/cm3.

Ferro

Silicatose matériamais leve

FIGUrA 1 .5 Representação da formação da Terra. (a) O planeta surgiu pela acreção de partículas. Meteoros e asteroides bombardea-ram a superfície, aquecendo o novo planeta e aumentando a massa. Naquele período, a Terra era composta de uma mistura homogênea de materiais. (b) A Terra perde volume por causa da compressão gravitacional. Altas temperaturas no interior transformaram a Terra em uma massa semisólida; o ferro denso (pontos vermelhos) foi atraído para o centro e formou o núcleo, enquanto partículas de si-licatos menos densos ficaram nas camadas mais externas. A fricção gerada por esse movimento aqueceu ainda mais o planeta. (c) O resultado da estratificação de densidade fica evidente na formação dos núcleos interno e externo, do manto e da crosta.

a

b

c

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composição atual de, basicamente, nitrogênio e oxigênio. No início, essa mudança foi provo-cada pelo dióxido de carbono que se dissolvia na água do mar e formava ácido carbônico, para depois associar-se às rochas da crosta. A dissolução química do vapor d’água pela luz do Sol na atmosfera também teve seu papel. Então, quase 1,5 bilhão de anos depois, os an-cestrais das plantas de hoje produziram, por meio da fotossíntese, oxigênio suficiente para oxidar minerais dissolvidos no oceano e sedi-mentos de superfície. O oxigênio começou a se acumu lar na atmosfera.

A origem da vida

A vida, como conhecemos, seria inconcebível sem grandes quantidades de água. Ela tem a habilidade de reter calor, moderar a tempera-tura, dissolver muitas substâncias químicas e de suspender nutrientes e resíduos. Essas ca-racterísticas a tornam um estágio volátil para as reações bioquímicas que deram origem à vida na Terra e permitiram que prosperasse.

A vida é formada pelo agrupamento de al-guns tipos básicos de compostos de carbono. Mas de onde vieram esses compostos? Existe o consenso de que a maior parte do material orgânico (ou seja, que contém carbono) nes-ses compostos são de origem cósmica: come-tas, asteroides, meteoros e partículas de poeira interplanetária que caíram na Terra durante seu nascimento. O jovem oceano era um cal-do fino de compostos orgânicos e inorgânicos em solução.

Em experimentos de laboratório, as mistu-ras de gases e compostos dissolvidos, que, como se acreditava, eram semelhantes à atmos fera primitiva, foram expostas à luz, ao calor e às descargas elétricas. Essas misturas energizadas produziram açúcares simples e a maior parte dos aminoácidos biologicamente importantes. Elas também produziram pequenas proteínas e nucleótidos (componentes das moléculas

A superfície da Terra estava tão quente que a água não se acumulava, além disso, a luz do Sol não atravessava as nuvens espessas. (Há 4,5 bilhões de anos, um visitante do espaço que se aproximasse veria apenas uma esfera en-volta em vapor, coberta por nuvens de raios.) Após milhões de anos, as nuvens superiores resfriaram o suficiente para que parte da água liberada em forma de gás formasse gotículas. Chuvas quentes caíram e se transformaram mais uma vez em nuvens. À medida que a su-perfície resfriou, a água se acumulou em bacias e começou a dissolver os minerais das rochas. Parte dessa água evaporou, resfriou e precipi-tou novamente. O oceano global começava a se formar.

Essas chuvas pesadas devem ter durado quase 20 milhões de anos. Grandes quantida-des de vapor d’água e outros gases continua-ram a escapar pelas chaminés dos vulcões du-rante aquela época e continuaram por milhões de anos. O oceano ficou mais profundo. As evidências sugerem que a espessura da crosta também aumentou, talvez, em parte, como re-sultado da reação química com os compostos oceânicos.

Inicialmente, a Terra teve uma superfície sólida há aproximadamente 4,5 bilhões de anos. O ocea-no se formou mais tarde quando a superfície res-friou o suficiente para que nuvens de vapor e vapor d’água se condensassem e permanecessem sobre a superfície.

A composição daquela primeira atmosfera (geralmente chamada atmosfera primitiva) era muito diferente da que temos hoje. Os geo-químicos acreditam que ela era rica em dió-xido de carbono, nitrogênio e vapor d’água, com traços de amônia e metano. Em torno de 3,5 bilhões de anos atrás, essa mistura deu início a uma alteração gradual até chegar à

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que continha compostos químicos capazes de quebrar as moléculas complexas. As primeiras moléculas com vida devem ter surgido mui-to abaixo das camadas de gelo em argilas ou cristais de pirita, em fontes frias e ricas em minerais, no assoalho oceânico.

A vida provavelmente surgiu na Terra logo após sua formação, aproximadamente 4 bilhões de anos atrás. A vida pode ter surgido no fundo do oceano.

Uma biossíntese semelhante não ocorre hoje. Os seres vivos alteraram as condições do oceano e da atmosfera, e essas alterações não são consistentes com nenhuma nova origem de vida. Primeiro, as plantas fotossintéticas encheram a atmosfera de oxigênio. Segundo, parte desse oxigênio (como o ozônio) agora impede que a maior parte dos raios perigosos chegue à superfície do oceano. Finalmente, os milhares de minúsculos organismos que exis-tem hoje certamente consumiriam com prazer qualquer molécula orgânica grande.

Há quanto tempo a vida começou? Os fós-seis mais antigos já encontrados, no noroeste da Austrália, têm entre 3,4 e 3,5 bilhões de anos (Figura 1.6). São restos de organismos, como bactérias razoavelmente complexas, in-dicando que a vida deve ter se originado antes disso, provavelmente apenas algumas cente-nas de milhões de anos após a formação do oceano. Foram encontradas evidências de um início ainda mais antigo, na forma de resíduos com base em carbono, em algumas das rochas mais antigas da Terra, na Ilha de Akilia, no oeste da Groelândia. Essas pequenas amostras de carbono de 3,85 bilhões de anos contêm impressões de carbono que, segundo os pes-quisadores, só poderiam ser de um organismo vivo. Terra e vida se desenvolveram juntas e uma influencia muito a outra.

que transmitem a informação genética entre gerações). A principal condição química pare-ce ser a ausência (ou quase) do oxigênio livre, um composto que pode romper qualquer mo-lécula grande desprotegida.

Houve geração de vida nesses experimen-tos? Não, os compostos que se formaram são apenas blocos construtores da vida. Mas os ex-perimentos realmente mostram algo sobre as características e a uniformidade da vida na Ter-ra. O fato de esses compostos cruciais poderem ser sintetizados com tanta facilidade e estarem presentes em praticamente todas as formas de vida não é coincidência. Eles são “permitidos” pelas leis da física e pela composição química do planeta. Os experimentos também enfa-tizam o papel especial da água nos processos da vida. O fato de qualquer forma de vida, da água-viva a uma erva no deserto, depender de água salgada em suas células para dissolver e transportar substâncias químicas é certamen-te significativo, o que sugere que as moléculas vivas simples e autorreprodutoras surgiram em algum lugar no oceano. Também sugere que toda a vida na Terra possui ancestralidade e origem comum.

As primeiras etapas na evolução de sim-ples blocos construtores a organismos vivos, processo conhecido como biossíntese, ainda são especulações. Os cientistas planetários su-gerem que o Sol jovem era fraco, emitia tão pouco calor – quase 30% a menos que hoje – que o ocea no deve ter congelado até a pro-fundidade de 300 metros. O gelo teria forma-do uma camada que manteve a maior parte do oceano fluido e relativamente quente. O impacto abrasador e periódico de grandes quantidades de asteroides, cometas e meteo-ros pode ter derretido o gelo, mas, no período entre esses bombardeios, ele teria se recons-tituído. Em 2002, os químicos Jeffrey Bada e Antonio Lazcano sugeriram que o material orgânico pode ter se formado e ficado preso debaixo desse gelo, protegido da atmosfera,

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Outros mundos oceânicos

Planetas com água na superfície ou próximos dela podem não ser tão raros como se acredi-tava. A própria água não é escassa. Júpiter, por exemplo, possui centenas de vezes mais água que a Terra, quase toda em forma de gelo. Em 1998, foi encontrado gelo nas crateras pro-fundas perto do Polo Sul da Lua. Os astrôno-mos também localizaram moléculas de água flutuan do livremente no espaço. Mas não se espera encontrar água na forma líquida.

Considere as condições necessárias para que um imenso oceano permanente, conten-do água na forma líquida, se forme em um planeta. Um oceano global deve mover-se em uma órbita quase circular em torno de uma estrela estável. A distância entre o planeta e a estrela deve ser suficiente para oferecer um ambiente com temperatura em que a água es-teja no estado líquido. Ao contrário de muitas estrelas, o Sol de um planeta que contenha água não pode ser uma estrela dupla ou múl-tipla, pois o ano orbital apresentaria períodos irregulares de intenso calor e frio. Na acreção dos materiais que formaram o planeta, deve haver água e substâncias capazes de formar uma crosta sólida. O planeta tem tamanho suficiente para que a gravidade evite que a at-mosfera e o ocea no se percam no espaço.

Embora seja prematuro considerar a “oce-anografia comparativa” como uma escolha de carreira, os pesquisadores têm cada vez mais certeza de que a água em estado líquido existe em pelo menos três outros corpos do nosso sistema solar. Vamos compará-los.

Europa

A espaçonave Galileo passou perto de Europa – uma Lua de Júpiter – no início de 1997. As fotos enviadas revelaram uma crosta de gelo fragmentada, cobrindo o que parece ser uma mistura semiderretida de água e gelo (Figura

O futuro distante da Terra?

Nossos descendentes ainda poderão aproveitar a vida na Terra durante 5 bilhões de anos. En-tão o Sol, como qualquer outra estrela, come-çará a se extinguir. Ele não tem massa suficien-te para tornar-se uma supernova, mas, após um período de resfriamento de um bilhão de anos, a fase de gigante vermelho reenergizado irá consumir os planetas mais próximos. Sua atmosfera se expandirá a um raio maior que a órbita da Terra. O oceano e a atmosfera, toda evidência de vida, a crosta e, talvez, o planeta inteiro serão reciclados em átomos componen-tes e lançados por ondas de choque no espa-ço. Nossos sucessores, se houver algum, terão morrido ou fugido para mundos mais seguros. Depois de esgotar o combustível e a energia, o Sol resfriará e se transformará em uma brasa incandescente; por fim, em uma brasa extinta e escura. Talvez um novo sistema de estrelas e planetas se forme desses fragmentos.

A Figura 1.7 apresenta cronologicamente a história do passado e do futuro da Terra.

FIGUrA 1 .6 Fóssil de um organismo como uma bactéria (com o desenho de um artista) que realizava a fotossíntese e liberava oxi-gênio na atmosfera. Entre os fósseis mais antigos já encontrados, esse filamento microscópico, descoberto no noroeste da Austrália, tem aproximadamente 3,5 bilhões de anos. (Imagem: Department of Earth and Space Science, UCLA. Utilizada com permissão.)