Revelando os segredos do permifrost Understand article

Traduzido por Anapaula Vaz Corrêa Maia. Estudar o permifrost nos permitiu ver não somente o passado, mas também o futuro. Miguel Ángel de Pablo, Miguel Ramos, Gonçalo Vieira e Antonio Molina explicam.

Estudar o permifrost na
Artártica

Imagem cortesia de Miguel
Ángel de Pablo

Preparando-se contra o vento gelado da Antática, quatro vultos maciços lutam para subir uma encosta.Seriam eles pinguins? Focas? Não. Eles são cientistas do permifrost – bem agasalhados contra o frio e carregando equipamento de alta tecnologia.

É assim que, todos os anos, nós passamos cerca de dois meses antes de retornarmos aos nossos quentes laboratórios europeus para analisarmos nossos dados. O que estamos fazendo e por que fazemos isso?

O que é o permifrost?

Figura 1: Distribuição do
permafrost no hemisfério
norte e na Antártica,
mostrando as perfurações
usadas na monitoração do
permifrost. Clique na imagem
para ampliar

Imagem cortesia de Hugues
Lantuit, International
Permafrost Association

Quanto o inverno chega e as temperaturas caem, o gelo se forma em poças e lagoas. Quando a temperatura fica abaixo de 0°C durante muito tempo, até o solo se congela. Em alguns casos, o solo pode ficar congelado continuamente por mais de dois anos, nós chamamos isto de permifrost.

Claramente, isto somente acontece em ambientes extremos: o permifrost é encontrado principalmente perto dos pólos e em altas montanhas (Figura 1). No entanto, no hemisfério norte, onde ele foi mais estudado, o permifrost cobre 20% da área continental.

Misturadas ao permifrost, existem faixas de solo que permanecem descongeladas durante todo o ano (talik), o resultado da pressão local, da alta salinidade ou do fluxo das águas subterrâneas. Isto significa que o permifrost pode ser contínuo, cobrindo vastas regiões, mas também pode ser discontínuo ou até desigual (Figura 1). A profundidade do permifrost é bastante variável e depende do ambiente: pode chegar a centenas de metros para dentro do solo, ao passo que na Ilha Decepção, que é um vulcão em atividade, ele atinge somente 3 metros de profundidade.

Figura 2: Corte mostrando os diferentes tipos de permifrost. Clique na imagem para ampliar
Imagem modificada cortesia do PhysicalGeography.net; imagem de fundo cortesia de Mark Sykes, fonte da imagem: Flickr

Detectando o permifrost

Na teoria, detectar o permafrost é relativamente fácil: somente introduzir un termômetro no solo e proceder a medições regulares durante dois anos. Entretanto, obter dados pecisos e representativos é mais complicado. Isto porque a camada mais superficial do solo é diretamente afectada pela radiação solar e condições climáticas, então ao contrário do permifrost abaixo, ela se descongela durante a estação quente.

Figura 3: Círculos de pedra
formados pela dinâmica da
camada ativa decorrentes
dos ciclos de gelo-degelo
sazonal

Imagem cortesia de Miguel
Ángel de Pablo

A camada superficial acima do permifrost é conhecida como camada ativa e os repetidos ciclos de gelo-degelo podem levá-la a produir formas peculiares em pequena escala, como terrenos poligonais, círculos de pedra e solos com motivos.

Consequentemente, estas superfícies podem indicar a presença do permifrost abaixo delas. A fim de verificar, nós e outros pesquisadores do permifrost perfuramos poços e introduzimos sensores de temperatura indo de 50 centimetros a 50 metrosde profundidade.

Após vários anos registrando dados, nós podemos determinar se o permifrost existe e qual foi a sua evolução térmica: como a temperatura do solo mudou durante o período monitorado em diferentes profundidades.

O que podemos aprender com o permifrost?

Por que nós e outros cientistas queremos saber se o solo está congelado abaixo da superfície? Permifrost pode ser importante no cotidiano, assim como ele pode nos informar sobre o clima passado e futuro na Terra e também ensinar-nos sobre os outros planetas.

Medindo a temperature perto da superfície, nós podemos ver se a camada ativa está se tornando mais espessa – à medida que o permifrost derrete – ou mais fina. Isto nos informa como o clima está mudando, visto que a espessura depende não somente da temperatura do ar, mas também de outros fatores como a camada de neve. Através do monitoramento da espessura da camada ativa em diferentes locais da Terra, nós podemos investigar a influência do aquecimento global sobre as temperaturas do solo.

Figura 4: Um perfil térmico feito a partir dos dados do poço na Antártica. No seu ponto mais quente, somente a camada ativa sobe acima de 0°C, abaixo do nível zero de amplitude anual, não existem alterações de temperatura sazonal; abaixo da base do permifrost, a temperatura do solo está acima de 0°C
Imagem cortesia de Miguel Ángel de Pablo

O Permifrost não somente nos informa sobre nosso clima atual, mas pode também revelar nosso clima passado. Se um pedaço de rocha se aquece durante o dia, ele começará a se esfriar na noite seguinte. No entanto, ele permanecerá quente durante algum tempo – especialmente, no meio da rocha, longe da superfície onde se perde calor. Medidas de temperatura em diferentes profundidades dentro do pedaço de rocha podem nos informar sobre as precedentes condições térmicas. Nós podemos fazer o mesmo com o permifrost – quanto mais profundo nós cavamos, mais longe estamos viajando no passado.

Figura 5: Desabamento da
infraestrutura devido ao
descongelamento do terreno
de permifrost rico em gelo,
Alasca, Estados Unidos

Imagem cortesia de Vladimir
Romanovsky, UAF

Solos e rochas, no entanto, transferem o calor em diferentes velocidades, dependendo de sua composição e estrutura; nós chamamos isto de condutividade térmica. Se conhecemos a condutividade térmica do solo e das rochas no permifrost, podemos converter profundidade em tempo, reconstruindo a evolução do clima ao longo das últimas décadas ou séculos. Por exemplo, encontrar rochas mais frias abaixo da superfície significa que o clima nesta profundidade (tempo) era mais frio do que o de hoje. Em teoria, estes cálculos também poderiam funcionar para solo não congelado, mas neste caso, o gradiente geotérmico (o calor vindo do centro da Terra) também influencia a temperatura. No permifrost, a temperatura da superfície tem um papel muito mais significativo.

Recentemente, pesquisadores descobriram que as mudanças na camada ativa não somente indicam uma mudança no clima, mas podem realmente contribuir para isso. No hemisfério norte, os solos de permifrost contêm uma enorme quantidade de matéria orgânica congelada. Como o aquecimento global causa o espessamento da camada ativa, esta matéria orgânica fica exposta para decomposição por microorganismos, liberando dióxido de carbono e metano – importantes gases do efeito estufa – na atmosfera, aumentando a taxa de aquecimento global.

Figura 6: Gelo sob a
superfície de Marte
decoberto e analisado pela
missão Phoenix

Imagem cortesia de Phoenix /
ASU / JPL / NASA

Permifrost também pode ter um impacto direto sobre os humanos, em áreas onde casas, estradas e ferrovias foram construídas sobre o permifrost.

When the permafrost thaws, the ground resistance drops and constructions can collapsew1 (Figura 5). Isto pode acontecer mais frequentemente com o aumento das temperaturas globais. Detectando o permifrost abaixo da superfície, nós podemos possibilitar aos engenheiros de tomar as medidas preventivas para reforçar as construções ou em primeiro lugar, não construí-las sobre o permifrost.

Finalmente, o permifrost pode nos ajudar a entender a dinâmica de outros planeta, como Marte. Marte tem uma grande quantidade de água congelada formando o permifrost (Figura 6), então, estudar a evolução do permifrost na Terra pode nos ajudar a entender o clima passado e presente de Marte. Futuras bases permanentes neste planeta podem até usar o permifrost marciano como fonte de água.

Estudando o permifrost na Antártica

Imagens cortesia de Miguel
Ramos

Por mais de duas décadas, nossa equipe tem conduzido uma pesquisa a longo prazo sobre o permifrost em diferentes locais das Ilhas Livington e Decepção na região da Península Antártica. Nós medimos a temperatura do solo tanto na superfície quanto dentro dos poços à uma profundidade de 25 metros. Nós monitoramos a temperatura no solo, comparamos com aquela do ar e da superfície e estudamos os fatores que afetam a temperatura do solo: desde a velocidade do ar às propriedades da rocha como a condutividade térmica, porosidade e umidade. Nós também medimos a espessura da camada ativa a cada ano na estação do degelo. Alguns dos poços foram monitorados continuamente durante 25 anos, outros foram perfurados nos últimos seis anos.

Nós selecionamos a região da Península Antártica porque:

Figura 7: Nossos locais de
pesquisas na região da
Península Antática. Clique na
imagem para ampliar

Imagem cortesia de Benjamin
Dumas; image source: Flickr
  1. A maioria das pesquisas do permifrost estão no hemisfério norte, então nós queremos extender as áreas monitoradas. Como nossos colegas trabalhando no norte, nós usamos protocolos internacionais para monitorar a camada ativa e medir a temperatura dentro dos poços, como definido pela Associação Internacional do Permifrost (IPA)w2.
  2. A península é uma das poucas áreas sem gelo da Artártica – o que é importante, porque o permifrost é estável se existe gelo abaixo dele ,e nós queremos investigar a camada ativa.
  3. Ela está perto da fronteira norte do permifrost Antártico, onde as temperaturas do solo estão perto de 0°C e o permifrost é, portanto, mais sensível às mudanças climáticas.

O quê nossos dados revelam? O principal resultado é que, embora algumas áreas, que anteriormente eram em permifrost, são agora descongeladas durante todo o ano, a maior parte do solo nas ilhas Livingston e Decepção está aproximadamente congelada como há 10 anos atrás, apesar do aquecimento global (Figura 8). Estas diferenças locais são determinadas pelas propriedades do solo e das rochas: matérias com alta condutividade térmica, por exemplo, descongelam-se mais rapidamente. Durante as próximas décadas, portanto, nós esperamos que o permifrost com baixa condutivida térmica vá sucumbir ao aquecimento global também. Nós esperamos terminar e voltar regularmente na Artártica para descobrir.

a) O índice de descongelamento para cada ano é definido como sendo as temperaturas positivas diárias cumulativas (em °C) durante o período de degelo.
b) O índice de congelamento para cada ano é definido como endo as temperaturas negativas diárias cumulativas (em °C) durante o período decongelamento

Figura 8: Padrões de congelamento e descongelamento em três diferentes profundidades no poço Incinerador (230cm de profundidade) na Ilha Livingston, entre 2000 e 2010. Atualmente, nós não temos informações espaciais e temporais suficientes para concluir que o permifrost na Península Antártica é afetado pelo aquecimento global. No poço Incinerador, existe uma leve tendência positiva no índice de descongelamento, mas o índice de congelamento não mostra nenhuma mudança – no total, o permifrost ainda é estável.
Imagens cortesia de Miguel Ramos

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Web References

  • w1 – O canal americano Public Broadcasting Service desenvolveu uma atividade para produzir seu próprio permifrost em classe, construir uma casa nela e observar as consequências do degelo. Consulte: www.pbs.org/edens/denali/permawht.htm
  • w2 – A Associação Internacional do Permifrost coordena a cooperação internacional entre pesquisadores e engenheiros que trabalham com o permifrost. Consulte: www.ipa-permafrost.org

Resources

  • O Centro National de Dados sobre a Neve e o Gelo dos Estados Unidos dirige um site educativo sobre solos congelados, incluindo muitas atividades e fontes sobre o permifrost. Consulte: http://nsidc.org/frozenground
  • O Comitê Científico em Pesquisas na Antártica oferece uma riqueza em recursos de ensino sobre a Antártica para estudantes de todas as idades, em diferentes línguas, incluindo vestir um pesquisador da Antártica com roupas apropriadas. Consulte:  www.scar.org/about/capacitybuilding/antarcticeducation
  • O Museu da Antártica dos Estados Unidos fez listas de oportunidades educacionais para professors conhecerem a Antártica e de recursos para seus alunos. Consulte: www.usap.gov/usapgov/educationalResources.cfm?m=5
  • Para encontrar fotos maravilhosas da Antártica para usar em suas lições, visite: www.coolantarctica.com
  • Para aprender sobre a viagem de um professor à Antártica, consulte:
  • São mais de 25 anos desde que um buraco na camada de ozônio foi descoberto sobre a Antártica. Para descobrir o que causou isso e qual é a situação atual, consulte:

Author(s)

Miguel Ángel de Pablo é professor assistente de Geologia na Universidad de Alcalá em Madrid, Espanha. Ele é geólogo e tem uma grande experiência de trabalho em geologia de Marte, onde a superfície permanece congelada. . Ele integrou a equipe de pesquisa sobre a Antártica em 2007 a fim de estudar o permifrost terrestre num esforço para entender o processo geológico marciano relacionada aos terrenos congelados.

Miguel Ramos é professor associado de Física na Universidad de Alcalá e dirige a pesquisa da universidade sobre o permifrost antártico. Ele passou 25 anos trabalhando na Antártica, estudando o efeito do clima na evolução térmica nas Ilhas Shetland do Sul.

Gonçalo Vieira é professor assistente de estudos geográficos na Universidad de Lisboa em Lisboa, Portugal. Ele é geógrafo e chefe da equipe portuguesa que trabalha sobre o permifrost e outros processos periglaciais, sobretudo na Antártica. Ele colabora com Miguel Ramos desde 2002.

Antonio Molina é pós-doutorando no departamento de Planetologia e Habitabilidade no Centro de Astrobiología CSIC / INTA em Madri, Espanha. Ele é um jovem pesquisador que, desde 2009, tem estudado processos marcianos e equivalentes terrestres, especialmente aqueles relacionados aos solos congelados. Ele paticipou de uma campanha na Antártica como membro da equipe de pesquisas sobre a Antártica da Universidad de Alcalá.


Review

Muitas pessoas sabem o que é o permifrost: solo congelado. Mas se pesquisadores passam décadas estudadno o permifrost, deve haver muito mais a saber do que esta simples informação.

Este artigo descreve o que é o permifrost, como ele pode ser estudado, o que se pode aprender com esta pesquisa e porque esta informação é valiosa. Além disso, ela contém informações que podem ser usadas em classes de ciências do ensino secundário a fim de ensinar muitos assuntos e tópicos, incluindo Biologia (por exemplo, ecologia), Ciência Ambiental (por exemplo, mudanças climáticas), Física e Química (por exemplo, propriedades da água e da matéria), Geologia (por exemplo, propriedades das rochas) e Meteorologia (por exemplo, vento e temperatura).

Para os estudantes mais novos do ensino secundário (entre 13 e 15 anos), o artigo poderia ser uma boa fonte de informação sobre o que é o permifrost, como ele é estudado e que tipo de informações importantes ele revela. Para os estudantes mais velhos do ensino secundário (entre 16 e 19 anos) o artigo pode também ser útil para entender como tudo aquilo que acontece no planeta tem implicações diretas ou indiretas que vão muito além do que se pode imaginar. Po exemplo, os estudantes perceberão que o aquecimento global pode afetar negativamente a ocupação do territóio pelo homem e o desenvolvimento.
Questões de compreensão e discução adequadas incluem:

  1. Quais são as principais diferenças entre permifrost, talik e a camada ativa, no que diz respeito às propriedades e localização?
  2. Quais critérios são geralmente usados pelos pesquisadores para localizar o permifrost?
  3. Explique como as mudanças na camada ativa podem contribuir para o aquecimento global.
  4. Por que é importante medir a temperatura em diferentes profundidades dentro do permifrost?
  5. Uma companhia de construção planeja construir casas numa área onde existe permifrost. Você apoiaria estes planos? Explique seu raciocínio;

O artigo seria mais apropriado para estudos em países do norte da Europa, assim como em países onde existam montanhas muito altas, visto que, nesses países se encontra o permifrost. No entanto, como a mudança climática, que afeta e é afetada pelo permifrost, é um problema global, este artigo pode fornecer informações valiosas em qualquer classe, em todo o mundo.


Michalis Hadjimarcou, Chipre




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CC-BY-NC-ND