Como os cilindros de gelo revelam a atmosfera do passado

Os registos meteorológicos feitos com instrumentos como termómetros e barómetros cobrem pouco mais de século e meio. Para estudar o clima antes de meados do século XIX, a ciência recorre a arquivos naturais, como anéis de crescimento de árvores, sedimentos marinhos ou pólenes fossilizados. No entanto, quase todos estes registos fornecem apenas estimativas indirectas das condições ambientais da época.

Os cilindros de gelo profundo (ice cores), recolhidos nas calotas polares da Antárctida e da Gronelândia, constituem uma excepção singular: preservam amostras reais e inalteradas do próprio ar de épocas recuadas.

A formação do gelo e o isolamento do ar

O processo que permite reter este ar é puramente físico e decorre da acumulação contínua de neve. No interior da Antárctida e no centro da Gronelândia, a temperatura do ar mantém-se quase sempre abaixo de zero, pelo que a neve nunca derrete. Ano após ano, novas camadas de neve sobrepõem-se às anteriores. Com a pressão crescente das camadas superficiais, os flocos de neve vão perdendo as suas pontas e transformam-se num material granular mais denso, conhecido por firn (ou névé).

Nos primeiros metros de profundidade, os espaços entre os grãos de neve mantêm-se em contacto directo com a superfície, permitindo que o ar atmosférico circule livremente entre eles. À medida que o peso superficial continua a aumentar, o firn é comprimido até atingir uma densidade de cerca de 0,83 gramas por centímetro cúbico, o que acontece geralmente entre os 60 e os 100 metros de profundidade. Nesse ponto, os canais colapsam mecanicamente e fecham-se. O ar ambiente fica então selado em pequenas bolhas isoladas, no interior do gelo maciço.

Como o ar se difunde pelos poros do firn durante anos antes de as bolhas se fecharem em definitivo, o gás aprisionado é sempre mais recente do que o gelo que o rodeia. Em regiões do planalto da Antárctida Oriental, onde a precipitação de neve é muito baixa, esta diferença de idade entre a matriz de gelo e o ar nela contido pode chegar a vários milhares de anos, exigindo cálculos rigorosos para sincronizar a datação dos gases com a dos outros componentes do gelo.

Figura 1: Lâmina fina de gelo da Antárctida fotografada sob luz polarizada. As diferentes tonalidades resultam da orientação óptica dos cristais de gelo, que encerram centenas de pequenas bolhas de ar aprisionadas há centenas ou milhares de anos. Foto: Atmospheric Research, CSIRO (CC BY 3.0).

A Tecnologia de Perfuração Profunda

Recuperar amostras de gelo formadas há centenas de milhares de anos implica perfurar a profundidades que ultrapassam os 3000 metros, frequentemente em locais onde as temperaturas à superfície descem abaixo de 50 graus negativos.

Para retirar estes cilindros contínuos, utilizam-se sondas mecânicas tubulares suspensas por cabos de aço. A cabeça da broca possui cortadores que escavam apenas uma ranhura circular no gelo, deixando o núcleo cilíndrico central intacto à medida que a sonda desce. Quando a secção de corte termina, um anel metálico interior com garras (a pinça ou collet) prende a base do cilindro de gelo para o soltar do fundo e permitir que o guincho o puxe até à superfície.

A grandes profundidades, a pressão do manto de gelo tende a esmagar e a fechar o poço de perfuração. Para anular essa força, os engenheiros preenchem o furo com um fluido especial de densidade equivalente à do gelo, mantendo as paredes estáveis. À superfície, os cilindros recolhidos são cortados em secções de um metro, registados e guardados em arcas frigoríficas a temperaturas inferiores a 20 graus negativos, para que o gelo não sofra alterações nem perca os gases retidos durante o transporte até aos laboratórios.

Figura 2: Cabeça de uma broca carotadora mecânica testada no projecto WAIS Divide, na Antárctida Ocidental. Observam-se os cortadores na extremidade periférica e o anel interno de fixação concebido para sustentar o cilindro de gelo durante a subida. Foto: Steven Profaizer, National Science Foundation (Domínio Público).

O que revelam as amostras em laboratório

No laboratório, os cilindros de gelo fornecem medições directas tanto da composição da atmosfera como das variações da temperatura regional.

Para analisar a composição gasosa, os fragmentos de gelo são introduzidos em câmaras de vácuo e esmagados ou fundidos sob condições rigorosamente isoladas do exterior. O ar libertado pelas bolhas segue para espectrómetros de massa ou analisadores de absorção laser, que medem com exactidão as fracções de dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) e óxido nitroso (N₂O) presentes na época em que a neve se compactou.

A temperatura média à data da precipitação é determinada a partir da própria água do gelo, através da proporção de isótopos estáveis de hidrogénio e de oxigénio. As moléculas de água formadas por isótopos pesados, como o deutério (²H) ou o oxigénio-18 (¹⁸O), condensam e precipitam mais facilmente do que as moléculas formadas por isótopos leves (¹H e ¹⁶O) à medida que o ar arrefece no percurso dos trópicos para as regiões polares. Assim, quanto mais baixa era a temperatura quando a neve caiu sobre a calota, menor é a fracção de isótopos pesados encontrada no gelo. A medição destas razões isotópicas permite reconstituir as temperaturas do passado com grande precisão.

O gelo retém igualmente poeiras minerais trazidas pelo vento a partir de desertos distantes, o que indica o grau de aridez e a força dos ventos em cada período histórico. As erupções vulcânicas deixam também camadas detectáveis de cinzas microscópicas e picos de sulfatos, que servem de referências cronológicas comuns para cruzar registos de perfurações diferentes.

Figura 3: A faixa escura neste cilindro de gelo da Antárctida Ocidental é uma camada de cinzas vulcânicas que se depositou sobre o manto de gelo há aproximadamente 21 mil anos. Foto: Heidi Roop, National Science Foundation (NSF).

Oitocentos mil anos de registo contínuo

As campanhas científicas mais profundas na Antárctida, como as da estação de Vostok e do projecto europeu EPICA (no local denominado Dome C), produziram um registo contínuo que cobre os últimos 800 mil anos.

Este intervalo temporal contém oito ciclos glaciares completos, durante os quais longos períodos de frio intenso alternaram com fases interglaciares amenas. O registo mostra que as concentrações atmosféricas de dióxido de carbono e metano variaram em sintonia com a temperatura da Antárctida ao longo de todo esse tempo: sempre que os níveis destes gases subiram, a temperatura aumentou; sempre que desceram, a temperatura diminuiu.

Estes testemunhos estabeleceram também os limites naturais de variação do dióxido de carbono durante quase um milhão de anos. Ao longo dos 800 mil anos analisados, a concentração de CO₂ na atmosfera oscilou de forma estável entre um mínimo de cerca de 180 partes por milhão (ppm), durante os picos glaciares mais frios, e um máximo de 280 a 300 ppm, nas fases interglaciares quentes. O valor actual da atmosfera terrestre, que já ultrapassa os 420 ppm, não encontra paralelo em nenhum estrato registado ao longo de todo este arquivo.

Conhecer o passado para compreender o presente

Estes dados mostram a relevância de ancorar o estudo do clima em evidências físicas directas. Os cilindros de gelo não dependem de extrapolações abstractas, pois contêm amostras concretas do ar do passado e documentam os limites em que o sistema climático operou ao longo de ciclos repetidos. Explicar estas observações de forma clara e rigorosa permite afastar tanto o alarmismo sem suporte factual como a negação das evidências empíricas. A divulgação científica cumpre o seu papel quando coloca estes factos ao alcance do público de modo directo e compreensível, fornecendo a base necessária para que a sociedade tome decisões conscientes sobre o futuro.

Perante um registo fóssil tão límpido e inequívoco como o que se encontra selado nas calotas polares, de que modo deve a sociedade contemporânea utilizar este testemunho do passado para fundamentar e acelerar as decisões colectivas que definirão o clima do nosso futuro?

Para saber mais…

• Lüthi, D., Le Floch, M., Bereiter, B., et al. (2008). High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present. Nature, 453(7193), 379–382.
• Jouzel, J., Masson-Delmotte, V., Cattani, O., et al. (2007). Orbital and millennial Antarctic climate variability over the past 800,000 years. Science, 317(5839), 793–796.
• Petit, J. R., Jouzel, J., Raynaud, D., et al. (1999). Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature, 399(6735), 429–436.
• Schwander, J., & Stauffer, B. (1984). Age difference between polar ice and the air trapped in its bubbles. Nature, 311(5981), 45–47.
• Talalay, P. G. (2016). Mechanical Ice Drilling Technology. Springer.