• Começa com um estrondo

Sim, a remoção de águas subterrâneas está mudando a inclinação da Terra

Apesar da enorme massa da Terra, simplesmente esgotar nossa água subterrânea está mudando nossa inclinação axial. A física newtoniana simples explica o porquê.

Principais conclusões

• Em circunstâncias normais, sem intervenção humana, a água da Terra circula entre os oceanos, a atmosfera e as massas de terra, levando a uma 'oscilação' natural do eixo do nosso planeta.
• No entanto, o bombeamento humano de águas subterrâneas, que foi particularmente esgotado no oeste da América do Norte e no noroeste da Índia nas décadas de 1990 e 2000, gradualmente fez com que nossa inclinação axial mudasse.
• A interação entre a distribuição de massa interna da Terra e os efeitos que experimentamos na superfície estão desempenhando um papel crucial para a vida no planeta Terra. Veja como entender isso.

Ethan Siegel Compartilhe Sim, a remoção de águas subterrâneas está mudando a inclinação da Terra no Facebook Compartilhar Sim, a remoção de águas subterrâneas está mudando a inclinação da Terra no Twitter Compartilhar Sim, a remoção de águas subterrâneas está mudando a inclinação da Terra no LinkedIn

Muitos de nós nos perguntamos como, como pequenos seres humanos individuais, nossas ações - mesmo com mais de 8 bilhões de nós juntos - poderiam afetar algo tão enorme quanto a Terra. Quando regamos nossos gramados e jardins, geralmente não pensamos que isso tenha um impacto global. Mesmo quando consideramos a grande quantidade de água usada para irrigação de plantações (e, em muitos lugares, de campos de golfe), é difícil imaginar que mesmo o uso humano cumulativo de água, que cobre cerca de 70% da superfície da Terra, poderia afetar o planeta como um todo.

E ainda, um novo estudo acaba de vincular esgotamento de águas subterrâneas causado pelo homem, particularmente impulsionado por atividades humanas intensivas em água (como irrigação) no oeste da América do Norte e noroeste da Índia, com uma migração recentemente observada da inclinação axial da Terra que aconteceu no mesmo período de tempo. O estudo em si vai além e argumenta que, ao vincular o esgotamento das águas subterrâneas à migração constante e substancial da inclinação da Terra, observado estar se movendo a 4,36 centímetros por ano , essa mesma quantidade de esgotamento das águas subterrâneas ao longo dos anos 1993-2010 causou 0,62 centímetros de aumento global do nível do mar, ou o equivalente a 0,37 milímetros por ano. É mais uma maneira pela qual a atividade humana está mudando todo o planeta, para melhor e para pior, em escalas de tempo assustadoramente rápidas .

A relação entre a massa de água continental e a oscilação leste-oeste no eixo de rotação da Terra. As perdas de água da Eurásia correspondem a oscilações para leste na direção geral do eixo de rotação (em cima), e os ganhos da Eurásia empurram o eixo de rotação para oeste (em baixo). À medida que o gelo ganha e perde massa, isso também pode causar mudanças no período de rotação diário da Terra. Em escalas de tempo curtas, esses efeitos podem dominar as mudanças na duração do dia; em prazos longos, eles geralmente são negligenciados. No entanto, novos estudos mostraram que as mudanças nas águas subterrâneas estão alterando permanentemente a inclinação axial da Terra.

Quando se trata do planeta Terra, normalmente pensamos nele como incrivelmente estável. Claro, nós giramos em nosso eixo enquanto giramos em torno do Sol e temos que lidar com a influência gravitacional da Lua e dos outros planetas além dos efeitos primários da gravidade do Sol e do momento angular intrínseco da Terra: tanto do giro quanto do variedades orbitais.

Com o tempo, os efeitos de maré da Lua na Terra – o que significa que a Lua puxa gravitacionalmente com uma quantidade maior de força no “lado próximo” da Terra do que no “lado distante” da Terra – levam a algumas mudanças de longo prazo .

• A rotação da Terra diminui constantemente, aumentando a duração do dia ao longo do tempo.
• A Lua espirala lentamente para fora, ficando cada vez mais distante da Terra, fazendo com que mais eclipses solares sejam anulares e menos sejam totais com o passar do tempo.
• E a Terra, cuja inclinação axial de outra forma variaria enormemente devido à influência dos outros planetas (assim como o eixo de Marte varia de cerca de 10° a 50° de inclinação), permanece estabilizada, variando apenas entre cerca de 22° e 25° ao longo tempo.

A Lua exerce uma força de maré na Terra, que não apenas causa nossas marés, mas também causa a frenagem da rotação da Terra e um subsequente alongamento do dia. A natureza assimétrica da Terra, agravada pelos efeitos da atração gravitacional da Lua, faz com que a Terra gire mais lentamente. Para compensar e conservar o momento angular, a Lua deve espiralar para fora. É por esta razão que a Terra não terá mais eclipses solares totais após outros 600 milhões de anos.

Mas essas mudanças normalmente não são perceptíveis em escalas de tempo de curto prazo; eles requerem milhões de anos para somar algo substancial. Mesmo que nosso eixo preceda, ou mude a direção em que aponta, em escalas de tempo de aproximadamente 26.000 anos, a inclinação axial normalmente permanece muito estável ao longo de escalas de tempo. A razão é simples e direta: o momento angular – ou a combinação de como um objeto gira em seu eixo e gira em torno de qualquer objeto que orbita – é uma daquelas quantidades que sempre são conservadas pelas leis da física.

Mas só porque algo é conservado, ou não pode ser criado nem destruído, não significa que não podemos mudar a forma como é distribuído entre suas partes componentes.

Um exemplo clássico é considerar uma patinadora artística enquanto ela executa a manobra comum de girar em um patim. Com os braços e/ou pernas estendidos, ela gira lentamente sobre seu eixo. No entanto, quando ela aproxima os braços e as pernas do eixo de rotação, ela acelera sua rotação. A razão é que o momento angular é uma combinação de sua velocidade angular, ou quão rápido você faz uma rotação completa, e seu momento de inércia, ou como sua massa é distribuída: perto ou longe do eixo de rotação.

Quando uma patinadora artística como Yuko Kavaguti (na foto da Copa da Rússia de 2010) gira com os membros longe do corpo, sua velocidade de rotação (medida pela velocidade angular ou o número de revoluções por minuto) é menor do que quando ela puxa sua massa para perto de seu eixo de rotação. A conservação do momento angular garante que, à medida que ela puxa sua massa para mais perto do eixo central de rotação, sua velocidade angular aumenta para compensar.

Em outras palavras, embora o momento angular seja sempre conservado, simplesmente alterando a forma como sua massa interna é distribuída, você pode alterar sua velocidade angular ou a rapidez com que gira em torno de seu eixo.

Esta simples lei física – a conservação do momento angular – leva a uma série de consequências físicas: algumas das quais são pequenas, mas significativas, enquanto outras podem ser severas e até catastróficas, como qualquer pessoa que já perdeu o equilíbrio enquanto anda de bicicleta pode atestar.

É por isso que, quando você alinha e equilibra as rodas do seu carro, às vezes eles martelam pequenos pesos de metal nas bordas onde os aros encontram os pneus: para que o momento de inércia das rodas e pneus se alinhe perfeitamente com o eixo da rotação eixo que os suporta. Sem esse tipo de alinhamento perfeito, seria criada uma força fora do eixo, que por sua vez geraria um torque, que colocaria pressão desnecessária no sistema roda-pneu-eixo, levando a um desgaste mais rápido do seu equipamento. No caso mais extremo, dirigir muito rápido ou por muito tempo com uma roda desbalanceada e desalinhada como essa resultará simplesmente na quebra do sistema roda e eixo, levando à separação da roda do carro.

É muito importante, ao dirigir um veículo motorizado, garantir que as rodas tenham o peso equilibrado em torno do eixo. Aqui, um pneu Bridgestone Blizzak é mostrado com um peso de balanceamento projetado especificamente para manter o centro de massa da roda e do pneu alinhado com o eixo de rotação do eixo.

Na Terra, no entanto, a situação é um pouco diferente. Não há eixo segurando a Terra em seu eixo de rotação, então quando fazemos algo que reorganiza a massa da Terra – ou seja, que muda o momento de inércia da Terra – existem duas respostas possíveis da própria Terra.

1. O momento de inércia geral pode aumentar (onde a massa se afasta do eixo de rotação) ou diminuir (onde a massa se aproxima do eixo de rotação), o que altera a velocidade angular da Terra: diminuindo-a e fazendo-a girar mais lentamente se o momento de inércia aumenta, ou aumentando-o e fazendo-o girar mais rápido se o momento de inércia diminuir.
2. Alternativamente, e esta é uma situação “e/ou”, o momento de inércia pode simplesmente mudar para que o equilíbrio da massa da Terra em relação ao eixo de rotação seja rearranjado: ou seja, as massas que foram equilibradas em torno do eixo de rotação da Terra são agora equilibrado em torno de um eixo de rotação ligeiramente diferente. Quando isso ocorre, faz com que a inclinação axial da Terra mude ligeiramente, mudando para um estado mais equilibrado.

Na realidade, essas duas mudanças ocorrem rotineiramente. O primeiro normalmente ocorre sempre que há um terremoto, pois o rearranjo da superfície e do interior da Terra normalmente resulta em mais massa sendo trazida para mais perto do centro da Terra, diminuindo o momento de inércia do planeta enquanto causa sua velocidade angular (ou taxa de rotação). para aumentar ligeiramente.

Embora os terremotos causem rachaduras no solo, eles também alteram a rotação da Terra, encolhem levemente seu diâmetro e afetam quando os locais da superfície fazem uma rotação completa. Os terremotos de maior magnitude podem encurtar abruptamente a duração de um dia em vários microssegundos.

Mas o ciclo da água da Terra é a causa mais comum da mudança do eixo de rotação da Terra. Quando você pensa em quanta massa existe na forma de água na Terra, na verdade é uma quantidade tremenda: tanto em termos absolutos quanto em relação a toda a massa da Terra. Existem aproximadamente 1,35 quintilhões (10 ¹⁸ ) toneladas de água na Terra – principalmente nos oceanos da Terra, mas também em mares, lagos, rios, geleiras e calotas polares – somando aproximadamente 0,02% da massa total do nosso planeta.

À medida que as calotas polares crescem e recuam com as estações, e à medida que a água circula dos oceanos para a atmosfera para reservas de água doce congelada na superfície e vice-versa, a orientação de nossa inclinação axial pode mudar rotineiramente em vários metros, mesmo ao longo de um único ano. Sabemos há muito tempo que o movimento da água da Terra pode ter esse efeito, e é por isso que medir o campo gravitacional da Terra em cada ponto da superfície, com altíssima precisão, é um importante empreendimento científico.

Acompanhar como a água da Terra se move — e entender quão ricas e esgotadas as reservas de água subterrânea são, ao longo do tempo, em escala local, regional e global — é um esforço vital para gerenciar um recurso natural importante, mas limitado em nosso planeta.

A missão GRACE da NASA consistia em dois satélites em órbita ao redor da Terra. A missão durou 15 anos: de 2002 a 2017, e mediu diretamente, por meio de uma variedade de instrumentos, a perda de gelo da Groenlândia e da Antártida, bem como o esgotamento das águas subterrâneas em todo o mundo.

Este foi um dos principais objetivos da ciência Missão Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) da NASA , que operou de 2002 até 2017, antes uma missão de seguimento foi lançado em 2018. Foi capaz de mostrar, surpreendentemente para muitos, que o lençol freático em muitas regiões sensíveis à seca do mundo - inclusive em grande parte do sul da Califórnia - estava diminuindo rapidamente, em alguns casos em até alguns centímetros por ano, de forma sustentada, ano após ano.

Mas entender exatamente como o esgotamento das águas subterrâneas está funcionando em escala global e como está reorganizando a distribuição de massa da Terra como resultado é uma tarefa que requer ainda mais do que o monitoramento preciso da Terra a partir do espaço. Há uma interação complexa, envolvendo mudanças sustentadas ao longo do tempo além das variações anuais ano a ano, entre:

• as reservas de água subterrânea em toda a Terra,
• o movimento e/ou migração do eixo de rotação da Terra,
• e a quantidade líquida de aumento do nível do mar devido à água que foi anteriormente armazenada sob os continentes sendo depositada nos oceanos da Terra.

Os cinco cenários esperados de aquecimento/emissões e o correspondente aumento do nível do mar, conforme detalhado no 6º relatório do IPCC. Se a camada de gelo da Antártica se tornar instável, uma possibilidade nos cenários de maior emissão, os impactos serão muito mais severos, conforme indicado pela linha pontilhada. Aproximadamente 10% do aumento anual do nível do mar pode agora ser atribuído ao esgotamento das águas subterrâneas.

É por isso que deve ser um achado chocante para todos que este último estudo determinou que, se você negligenciar o efeito do esgotamento das águas subterrâneas, o comportamento da inclinação axial da Terra e como ela se moveu ao longo do período de 1993-2010 não pode ser explicado. Não pode ser geleiras ou derretimento glacial; não pode ser física da calota polar, incluindo derretimento e crescimento sazonais; não pode ser devido a mudanças nos reservatórios superficiais de água. Todos esses fatores, quando contabilizados, ainda não conseguiram explicar o que foi observado.

Em vez disso, se você levar em conta o esgotamento das águas subterrâneas, os cientistas descobriram que a localização do pólo da Terra - que serve como um excelente proxy para sua inclinação axial - mudou gradualmente, mas de forma sustentada ao longo desse bem estudado período de 17 anos. , a uma taxa de 4,36 cm/ano, para uma mudança cumulativa de cerca de 74 centímetros (ou 29 polegadas) durante toda a duração.

A quanto esgotamento das águas subterrâneas isso corresponde?

Um número assustadoramente grande: o equivalente a 2,15 trilhões de toneladas de água, ou cerca de 1.600 partes por bilhão de toda a água presente no planeta Terra.

Embora apenas 0,02% da massa da Terra esteja na forma de água, essa água é distribuída não apenas nos oceanos, nas reservas de água doce continental e nas calotas polares e geleiras, mas também nas águas subterrâneas. De acordo com um estudo de 2023, aproximadamente 0,00016% de toda a água da Terra foi reorganizada, de águas subterrâneas para águas oceânicas, de 1993 a 2010.

Para onde vai toda aquela água, que antes estava na forma de lençol freático, mas foi esgotada pela irrigação?

A resposta, como você pode esperar, é “no ciclo normal da água da Terra”. A suposição mais simples que se pode fazer é que a maior parte iria para os oceanos da Terra e que o que podemos fazer é calcular dois números interessantes.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

1. Quanto adicionar essa quantidade de água subterrânea aos oceanos causaria o aumento do nível do mar?
2. Se redistribuíssemos 2,15 trilhões de toneladas de água subterrânea abaixo da superfície da Terra, principalmente do oeste da América do Norte e noroeste da Índia, uniformemente em todos os oceanos, qual teria sido a migração prevista da inclinação axial da Terra?

A resposta à primeira pergunta é um número surpreendentemente significativo: 6,24 milímetros ao longo desse período de 17 anos, ou cerca de 0,37 milímetros por ano. Isso representa cerca de 10% do atual aumento anual do nível do mar, sendo o restante proveniente da calota polar e do derretimento glacial e da expansão térmica dos oceanos à medida que aquecem junto com o resto da Terra.

A resposta para a segunda pergunta, no entanto, é o que torna este estudo tão atraente: a migração prevista a partir deste modelo simples seria uma mudança na inclinação axial da Terra de 78,5 cm, na mesma direção observada, de 1993 a 2010. Essa é uma concordância impressionante de apenas 6% do valor observado, mostrando o quanto a distribuição de água na superfície da Terra pode alterar a inclinação da própria Terra.

Este mapa mostra a mudança no nível do mar durante o período de 1993-2021. As cores azuis indicam elevação do nível do mar; cores amarelas indicam queda do nível do mar. Em algumas bacias oceânicas, o nível do mar subiu de 6 a 8 polegadas (15 a 20 centímetros). A taxa de aumento do nível do mar de 2006 em diante é 2,5 vezes a taxa média do século XX.

Há uma série de lições que se pode extrair deste estudo, mas a lição geral e mais ampla é simples. Mesmo em períodos de tempo relativamente curtos, as mudanças físicas que estamos fazendo na Terra são grandes o suficiente em magnitude para terem consequências observáveis ​​de longo prazo com muitos efeitos a jusante. Uma prática tão simples e difundida como a irrigação, que esgota as águas subterrâneas de forma desigual em toda a Terra, está afetando a inclinação axial da Terra e a taxa na qual o nível do mar sobe substancialmente. Se continuarmos com essas práticas como temos feito no passado recente, sem mudanças, esses efeitos vão continuar, piorar e aumentar cumulativamente ao longo do tempo.

Também ressalta a importância de continuar monitorando essas mudanças, pois saber como a Terra está mudando e como as atividades humanas estão conduzindo essa mudança é de suma importância à medida que o século 21 avança e se tornará ainda mais importante à medida que surgem novas questões de segurança hídrica. Mas, além dessas questões, ele destaca o quão poderosa pode ser uma ação rápida, simplesmente mudando de onde obtemos nossa água e como a distribuímos para fornecer comida (e, se me permite a ousadia de sugerir, talvez não tantas campos de golfe) para os mais de 8 bilhões de habitantes do nosso planeta pode mudar a taxa e a direção na qual o eixo da Terra migra, bem como a taxa de aumento do nível do mar. Afinal, como mostram claramente os estudos mais recentes, as mudanças locais que fazemos em um lugar da Terra realmente afetam o mundo inteiro.

Compartilhar: