Visão holística do ciclo químico da Terra esclarece como o planeta permanece habitável

por *Louise

Universidade

Lerner, de Chicago Fotos: CC POR 4.0 Pixabay/CC0 Domínio Público, Cortesia do PNUMA/GRID-Arendal, Instituto de Tecnologia da Califórnia, Merino et al. (2019), PNAS, Nasa, Universidade de Chicago, Universidade Rice

As reações biogeoquímicas modulam a composição química dos oceanos e da atmosfera, fornecendo feedbacks que sustentam a habitabilidade planetária ao longo do tempo geológico. Aqui, avaliamos matematicamente um conjunto de processos biogeoquímicos para identificar combinações de reações que estabilizam o dióxido de carbono atmosférico, equilibrando fluxos de espécies químicas entre o oceano, a atmosfera e a geosfera. Ao contrário dos esforços de modelagem anteriores, esta abordagem não prescreve relações funcionais entre as taxas de processos biogeoquímicos e as condições ambientais. Nossa estrutura agnóstica gera três tipos de combinações de reações estáveis: conjuntos fechados, onde fontes e sumidouros se cancelam mutuamente para todos os reservatórios

A Vida e a Terra têm co-evoluído numa dança contínua

As reações biogeoquímicas modulam a composição química dos oceanos e da atmosfera, fornecendo feedbacks que sustentam a habitabilidade planetária ao longo do tempo geológico. Aqui, avaliamos matematicamente um conjunto de processos biogeoquímicos para identificar combinações de reações que estabilizam o dióxido de carbono atmosférico, equilibrando fluxos de espécies químicas entre o oceano, a atmosfera e a geosfera. Ao contrário dos esforços de modelagem anteriores, esta abordagem não prescreve relações funcionais entre as taxas de processos biogeoquímicos e as condições ambientais. Nossa estrutura agnóstica gera três tipos de combinações de reações estáveis: conjuntos fechados, onde fontes e sumidouros se cancelam mutuamente para todos os reservatórios químicos; conjuntos de trocas, químicos; conjuntos de trocas, onde as condições oceano-atmosfera constantes são mantidas através do crescimento ou destruição de reservatórios crustais; e conjuntos abertos, onde o equilíbrio na alcalinidade e nos fluxos de carbono é acomodado por mudanças em outros componentes químicos da água do mar ou da atmosfera. Esses três modos de operação têm escalas de tempo características diferentes e podem deixar evidências distintas no registro rochoso. Para fornecer um exemplo prático deste quadro teórico, aplicámos o modelo para reformular hipóteses existentes para as alterações climáticas do Cenozóico com base em feedbacks ou mecanismos de forçamento partilhados. No geral, este trabalho fornece uma estrutura conceitual sistemática e simplificada para a compreensão da função e evolução dos ciclos biogeoquímicos globais. onde as condições oceano-atmosfera constantes são mantidas através do crescimento ou destruição de reservatórios crustais; e conjuntos abertos, onde o equilíbrio na alcalinidade e nos fluxos de carbono é acomodado por mudanças em outros componentes químicos da água do mar ou da atmosfera. Esses três modos de operação têm escalas de tempo características diferentes e podem deixar evidências distintas no registro rochoso. Para fornecer um exemplo prático deste quadro teórico, aplicámos o modelo para reformular hipóteses existentes para as alterações climáticas do Cenozóico com base em feedbacks ou mecanismos de forçamento partilhados. No geral, este trabalho fornece uma estrutura conceitual sistemática e simplificada para a compreensão da função e evolução dos ciclos biogeoquímicos globais.

As reações biogeoquímicas modulam a composição química dos oceanos e da atmosfera, fornecendo feedbacks que sustentam a habitabilidade planetária ao longo do tempo geológico. Aqui, avaliamos matematicamente um conjunto de processos biogeoquímicos para identificar combinações de reações que estabilizam o dióxido de carbono atmosférico, equilibrando fluxos de espécies químicas entre o oceano, a atmosfera e a geosfera. Ao contrário dos esforços de modelagem anteriores, esta abordagem não prescreve relações funcionais entre as taxas de processos biogeoquímicos e as condições ambientais. Nossa estrutura agnóstica gera três tipos de combinações de reações estáveis: conjuntos fechados, onde fontes e sumidouros se cancelam mutuamente para todos os reservatórios químicos; conjuntos de trocas, onde as condições oceano-atmosfera constantes são mantidas através do crescimento ou destruição de reservatórios crustais; e conjuntos abertos, onde o equilíbrio na alcalinidade e nos fluxos de carbono é acomodado por mudanças em outros componentes químicos da água do mar ou da atmosfera. Esses três modos de operação têm escalas de tempo características diferentes e podem deixar evidências distintas no registro rochoso. Para fornecer um exemplo prático deste quadro teórico, aplicámos o modelo para reformular hipóteses existentes para as alterações climáticas do Cenozóico com base em feedbacks ou mecanismos de forçamento partilhados. No geral, este trabalho fornece uma estrutura conceitual sistemática e simplificada para a compreensão da função e evolução dos ciclos biogeoquímicos globais.

Todos sabemos que a Terra é especial, mas podemos não avaliar totalmente o quão boa é a nossa neste planeta. Ao contrário dos seus vizinhos planetários, a Terra permaneceu habitável durante milhares de milhões de anos graças a uma dança complicada e em constante mudança de elementos.

Um estudo realizado por investigadores da Universidade de Chicago, da Universidade Rice e do Instituto de Tecnologia da Califórnia lança uma nova luz sobre o delicado equilíbrio dos ciclos biogeoquímicos que mantêm a Terra temperada, hidratada e próspera.

A ciclagem de elementos entre os oceanos, a atmosfera e a terra desempenha um papel na manutenção da estabilidade do clima, mas é tão complexa que os cientistas normalmente isolam partes do todo para tentar compreender melhor como funcionam. No entanto, um novo estudo, publicado recentemente no Proceedings of the National Academy of Sciences, oferece uma abordagem diferente.

Em vez disso, os investigadores oferecem um ponto de vista amplo e simplificado, utilizando um novo conjunto de ferramentas matemáticas para iluminar as relações entre os diferentes ciclos químicos que antes eram difíceis de detectar. “Nossa abordagem fornece uma nova maneira de identificar os blocos fundamentais de estabilidade nos componentes químicos do clima da Terra - as formas subjacentes pelas quais o clima pode ser estabilizado ao longo do tempo geológico devido ao movimento de elementos através do oceano, atmos-

O fera e rocha reservatórios”, disse Preston Cosslett Kemeny, pós-doutorado da UChicago TC Chamberlain e primeiro autor do artigo.

“Esta é uma maneira elegante e simplificada de pensar sobre um problema enorme, que organiza muitas pesquisas anteriores sobre ciclos elementares em pacotes de reações químicas que podem ser equilibradas e compreendidas”, disse UChicago Asst. Prof. Clara Blättler, autora sênior do artigo.

Ciclos e clima

Muitas vezes tomamos como certo que o planeta Terra sustentou vida complexa durante centenas de milhões de anos. Mas esta estabilidade não estava certamente garantida – basta olhar ao lado para Marte e Vénus, que se formaram aproximadamente a partir dos mesmos materiais que a Terra, mas que actualmente nem sequer suportam água líquida. Qual é o segredo da Terra?

Um aspecto fundamental é o ciclo químico. Elementos como carbono, enxofre e cálcio movem-se entre a terra, o oceano e a atmosfera de maneiras que mantiveram as condições na superfície da Terra relativamente estáveis ao longo de centenas de milhões de anos.

Por exemplo, os cientistas pensam que as temperaturas do planeta são parcialmente mantidas pela mudança gradual do carbono entre o oceano, a atmosfera e a terra.

Quando o dióxido de carbono se acumula na atmosfera e aquece a superfície, faz com que as rochas se quebrem mais rapidamente – movendo o carbono para o oceano e, subsequentemente, para as rochas no fundo do mar. Ao longo de milhões de anos, o planeta esfria gradualmente à medida que o carbono é sugado da atmosfera.

Desembaraçar esses ciclos tem sido um trabalho de décadas. É um desafio porque os ciclos duram milhões de anos, estão em constante mudança, ocorrem em todo o globo e interagem entre si constantemente. É tão complexo que os cientistas muitas vezes examinam apenas partes do quadro completo – normalmente considerando um número limitado de ciclos de elementos ou um pequeno subconjunto de suas interações. Mas quando faltam peças do puzzle, os investigadores têm de fazer suposições para preencher as lacunas. Kemeny questionou-se se trabalhar desta forma poderia tender a obscurecer o quadro geral de como as interações biogeoquímicas dão origem à estabilidade planetária.

Ele, juntamente com Blättler, Mark Torres, da Rice University, e Woodward Fischer, da Caltech, deram um passo atrás. Eles realizaram uma análise matemática na qual consideraram uma ampla gama de reações químicas que compreendem os principais ciclos químicos, mas não especificaram como ou quanto os ciclos interagiam entre si.

O resultado é uma estrutura que identifica todas as combinações principais e secundárias de reações que equilibram o ciclo do carbono da Terra e as suas relações entre si – algo que estava faltando no campo. Visto desta forma, o clima da Terra pode ser representado por um conjunto de equações químicas interligadas que devem equilibrar-se ao longo de determinados períodos de tempo.

Os autores disseram que o seu trabalho é útil à medida que os cientistas continuam a estudar a história da Terra e como o clima mudou ao longo do tempo. “Por exemplo, digamos que você está considerando uma hipótese sobre por que o clima mudou no passado – como o grande resfriamento dos últimos 65 milhões de anos”, disse Kemeny. “Você pode pegar essa estrutura e usá-la para dizer, bem, se o processo X aumentou ou diminuiu, então ele também deveria ter causado a ocorrência de Y, ou precisaria ser equilibrado por Z, e que você tem que levar em conta esses resultados - então, com essa previsão, podemos procurar evidências da operação conjunta de todo o sistema geoquímico”.

Outras relações entre os ciclos químicos podem tornar-se visíveis quando observadas numa visão panorâmica. “Por exemplo, esta análise identificou uma nova forma de equilibrar os fluxos de carbono no sistema oceano-atmosfera enquanto acumula oxigênio na atmosfera”, disse Kemeny.

Estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Chicago, da Universidade Rice e do Instituto de Tecnologia da Califórnia lança nova luz sobre o delicado equilíbrio dos ciclos biogeoquímicos que mantêm a Terra temperada, hidratada e próspera.

“Esperamos que seja uma bela maneira de ajudar a compreender todas as substâncias químicas envolvidas em tornar a Terra um lugar seguro para a evolução da vida”, disse Blättler