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Recentemente, houve um aumento na concentração de dióxido de carbono no ar, o que leva a uma mudança no clima da Terra.
O carbono (C) na atmosfera é encontrado principalmente na forma de dióxido de carbono (CO 2 ) e em pequena quantidade na forma de metano (CH 4 ), monóxido de carbono e outros hidrocarbonetos.
Para gases da atmosfera da Terra, o conceito de "tempo de vida do gás" é usado. Este é o tempo durante o qual o gás é completamente renovado, ou seja, o tempo que leva para entrar na atmosfera tanto gás quanto ela contém. Então, para o dióxido de carbono, este tempo é de 3 a 5 anos, para o metano - 10 a 14 anos. O CO oxida a CO 2 em poucos meses.
Na biosfera, a importância do carbono é muito alta, pois faz parte de todos os organismos vivos. Dentro dos seres vivos, o carbono está contido na forma reduzida, e fora da biosfera, na forma oxidada. Assim, a troca química do ciclo de vida é formada: CO 2 ↔ matéria viva.
A principal fonte de dióxido de carbono são os vulcões, durante a erupção dos quais uma enorme quantidade de gases é liberada na atmosfera. Parte deste dióxido de carbono surge da decomposição térmica de calcários antigos em várias zonas metamórficas.
O carbono também entra na atmosfera da Terra na forma de metano como resultado da decomposição anaeróbica de resíduos orgânicos. O metano sob a influência do oxigênio é rapidamente oxidado em dióxido de carbono. Os principais fornecedores de metano para a atmosfera são as florestas tropicais e os pântanos.
A migração de CO 2 ocorre de duas maneiras:
- No primeiro método, o CO 2 é absorvido da atmosfera terrestre durante a fotossíntese e participa da formação de substâncias orgânicas com posterior soterramento na crosta terrestre na forma de minerais: turfa, óleo, xisto betuminoso.
- No segundo método, o carbono está envolvido na criação de carbonatos na hidrosfera. CO 2 vai para H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2. Então, com a participação do cálcio (menos frequentemente magnésio e ferro), a precipitação de carbonatos ocorre de forma biogênica e abiogênica. Aparecem espessos estratos de calcário e dolomitos. De acordo com A. B. Ronov, a proporção de carbono orgânico (Corg) para carbono carbonato (Ccarb) na história da biosfera foi de 1:4.
O dióxido de carbono da atmosfera da Terra é extraído pelas plantas verdes através do processo de fotossíntese, que é realizado através do pigmento clorofila, que usa energia. radiação solar. As plantas convertem o dióxido de carbono da atmosfera em carboidratos e oxigênio. Os carboidratos estão envolvidos na formação de compostos orgânicos das plantas, e o oxigênio é liberado de volta para a atmosfera.
Uma parte muito pequena de sua massa total está envolvida no ciclo ativo do carbono. Uma enorme quantidade de ácido carbônico é conservada na forma de calcários fósseis e outras rochas. Entre o dióxido de carbono da atmosfera terrestre e a água do oceano, por sua vez, há um equilíbrio móvel.
Devido à alta taxa de reprodução, os organismos vegetais (especialmente microorganismos inferiores e fitoplâncton marinho) produzem cerca de 1,5-10 11 toneladas de carbono na forma de matéria orgânica por ano, o que corresponde a 5,86-10 20 J (1,4-10 20 cal) de energia.
As plantas são parcialmente comidas pelos animais, durante a morte da qual a matéria orgânica é depositada na forma de sapropel, húmus, turfa, que, por sua vez, dão origem a muitos outros caustobiólitos - carvão, petróleo, gases combustíveis.
Nos processos de decomposição de substâncias orgânicas, sua mineralização, bactérias (por exemplo, putrefativas), bem como muitos fungos (por exemplo, fungos) desempenham um papel enorme.
As principais reservas de carbono estão em estado ligado (principalmente na composição de carbonatos) nas rochas sedimentares da Terra, uma parte significativa é dissolvida nas águas do oceano e uma parte relativamente pequena está presente no ar.
A proporção de quantidades de carbono na litosfera, hidrosfera e atmosfera da Terra, de acordo com cálculos atualizados, é 28570: 57: 1.
O dióxido de carbono é liberado na atmosfera da Terra:
- no processo de respiração de organismos vivos e na decomposição de seus cadáveres, a decomposição de carbonatos, os processos de fermentação, decomposição e combustão;
- plantas verdes, durante o dia absorvendo dióxido de carbono da atmosfera no processo de fotossíntese, à noite parte dele é devolvido;
- como resultado da atividade dos vulcões, cujos gases consistem principalmente em dióxido de carbono e vapor de água. O vulcanismo moderno leva, em média, à liberação de 2 10 8 toneladas de CO 2 por ano, o que é menos de 1% do volume antropogênico emissões (de atividades humanas);
- como resultado da atividade humana industrial, que nos últimos anos tem ocupado um lugar especial no ciclo do carbono. A queima em massa de combustíveis fósseis leva ao aumento do teor de carbono na atmosfera, pois apenas 57% do dióxido de carbono produzido pelo homem é processado pelas plantas e absorvido pela hidrosfera. O desmatamento maciço também leva a um aumento na concentração de dióxido de carbono no ar.
Este foi o artigo Dióxido de carbono na atmosfera da Terra. ". Leia mais: « Argônio na composição da atmosfera da Terra - o conteúdo na atmosfera é de 1%.«
Pesquisadores do Scripps Institution of Oceanography da Universidade da Califórnia, San Diego relatado USA Today que o teor de dióxido de carbono na atmosfera da Terra atingiu seu nível mais alto nos últimos 800.000 anos. Agora é 410 ppm (partes por milhão). Isso significa que em cada metro cúbico de ar o dióxido de carbono ocupa um volume de 410 ml.
O dióxido de carbono, ou dióxido de carbono, desempenha uma função importante na atmosfera do nosso planeta: passa parte da radiação do Sol, que aquece a Terra. No entanto, como o gás também absorve o calor emitido pelo planeta, contribui para o efeito estufa. Este é considerado o principal fator do aquecimento global.
O aumento constante do teor de dióxido de carbono na atmosfera começou com a revolução industrial. Antes disso, a concentração nunca havia excedido 300 ppm. Em abril deste ano, foi estabelecida a maior média dos últimos 800 mil anos. A primeira vez que um número de 410 ppm foi registrado em uma estação de monitoramento da qualidade do ar no Havaí em abril de 2017, mas depois foi um pouco fora do comum. Em abril de 2018, essa marca passou a ser a média do mês inteiro. A concentração de dióxido de carbono aumentou 30% desde o início das observações dos pesquisadores da Instituição Scripps.
O cientista Ralph Keeling, da Scripps Institution, chefe do programa de pesquisa de CO2, acredita que a concentração de dióxido de carbono continua a aumentar na atmosfera devido ao fato de estarmos constantemente queimando combustível. O processamento de petróleo, gás e carvão libera gases de efeito estufa, como dióxido de carbono e metano, na atmosfera. Os gases fizeram com que a temperatura da Terra subisse ao longo do século passado a níveis que não podem ser explicados pela variabilidade natural. Este é um fato conhecido há muito tempo, mas ninguém está tomando medidas para remediar de alguma forma a situação.
Por sua vez, a Organização Meteorológica Mundial disse que o aumento dos gases de efeito estufa contribui para as mudanças climáticas e torna “o planeta mais perigoso e inóspito para as gerações futuras”. A questão precisa ser abordada em nível global e feita o mais rápido possível.
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A atividade humana já atingiu tal escala que o conteúdo total de dióxido de carbono na atmosfera da Terra atingiu os valores máximos permitidos. Os sistemas naturais - terra, atmosfera, oceano - estão sob influência destrutiva.
Por exemplo, estes incluem fluoroclorohidrocarbonetos. Essas impurezas gasosas emitem e absorvem a radiação solar, que afeta o clima do planeta. Juntos, o CO 2 , outros compostos gasosos que acabam na atmosfera, são chamados de gases de efeito estufa.
Ele alertou que um aumento no volume de combustível queimado poderia levar a uma violação do equilíbrio de radiação da Terra.
Hoje, mais dióxido de carbono entra na atmosfera quando o combustível é queimado e também devido às mudanças que ocorrem na natureza devido ao desmatamento e ao aumento das terras agrícolas.
Um aumento de dióxido de carbono na atmosfera causa um efeito estufa. Se o monóxido de carbono (IV) for transparente durante a radiação solar de onda curta, então ele absorve a radiação de onda longa, irradiando energia em todas as direções. Como resultado, o conteúdo de dióxido de carbono na atmosfera aumenta significativamente, a superfície da Terra aquece e as camadas inferiores da atmosfera ficam quentes. Com um aumento subsequente na quantidade de dióxido de carbono, a mudança climática global é possível.
É por isso que é importante prever a quantidade total de dióxido de carbono na atmosfera da Terra.
Entre eles estão as emissões industriais. O teor de dióxido de carbono na atmosfera está aumentando devido às emissões antropogênicas. O crescimento econômico depende diretamente da quantidade de recursos naturais queimados, uma vez que muitas indústrias são intensivas em energia.
Os resultados dos estudos estatísticos indicam que desde o final do século passado em muitos países houve uma diminuição nos custos específicos de energia com um aumento significativo nos preços da eletricidade.
Seu uso efetivo é alcançado através da modernização do processo tecnológico, veículos, uso de novas tecnologias na construção de oficinas de produção. Alguns países industrializados desenvolvidos passaram do desenvolvimento das indústrias de processamento e matérias-primas para o desenvolvimento das áreas que se dedicam à fabricação do produto final.
Em grandes áreas metropolitanas com uma base industrial séria, as emissões de dióxido de carbono na atmosfera são significativamente maiores, uma vez que o CO 2 é muitas vezes um subproduto de indústrias cujas atividades atendem às necessidades de educação e medicina.
Nos países em desenvolvimento, um aumento significativo no uso de combustível de alta qualidade por 1 habitante é considerado um fator importante na transição para um padrão de vida mais elevado. A ideia que está sendo apresentada é que o crescimento econômico contínuo e a melhoria dos padrões de vida são possíveis sem aumentar a quantidade de combustível queimado.
Dependendo da região, o teor de dióxido de carbono na atmosfera varia de 10 a 35%.
Comecemos pelo fato de que a energia não é produzida apenas para recebê-la. Nos países industrializados desenvolvidos, a maior parte é usada na indústria, para aquecimento e refrigeração de edifícios e para transporte. Estudos realizados por grandes centros de pesquisa mostraram que o uso de tecnologias de economia de energia pode levar a uma redução significativa nas emissões de dióxido de carbono na atmosfera terrestre.
Por exemplo, os cientistas foram capazes de calcular que se os Estados Unidos mudassem para tecnologias menos intensivas em energia na produção de bens de consumo, isso reduziria a quantidade de dióxido de carbono que entra na atmosfera em 25%. Em escala global, isso reduziria o problema do efeito estufa em 7%.
Analisando o problema das emissões de dióxido de carbono na atmosfera terrestre, notamos que o carbono, que dela faz parte, é vital para a existência de organismos biológicos. Sua capacidade de formar cadeias de carbono complexas (ligações covalentes) leva ao aparecimento de moléculas de proteínas necessárias à vida. O ciclo biogênico do carbono é um processo complexo, pois envolve não apenas o funcionamento dos seres vivos, mas também a transferência de compostos inorgânicos entre diferentes reservatórios de carbono, bem como dentro deles.
Estes incluem a atmosfera, a massa continental, incluindo os solos, bem como a hidrosfera, a litosfera. Nos últimos dois séculos, foram observadas mudanças nos fluxos de carbono no sistema biosfera-atmosfera-hidrosfera, que em sua intensidade excedem significativamente a taxa de processos geológicos de transferência desse elemento. É por isso que é necessário nos limitarmos a considerar as relações dentro do sistema, incluindo o solo.
Estudos sérios sobre a determinação do teor quantitativo de dióxido de carbono na atmosfera terrestre começaram a ser realizados a partir de meados do século passado. O pioneiro nesses cálculos foi Killing, que trabalha no famoso Observatório Mauna Loa.
Uma análise das observações mostrou que as mudanças na concentração de dióxido de carbono na atmosfera são afetadas pelo ciclo da fotossíntese, a destruição de plantas em terra, bem como a mudança anual de temperatura nos oceanos. Durante os experimentos, foi possível descobrir que o teor quantitativo de dióxido de carbono no hemisfério norte é significativamente maior. Os cientistas sugeriram que isso se deve ao fato de que a maior parte da renda antropogênica recai sobre este hemisfério.
Para análise, eles foram tomados sem métodos especiais; além disso, os erros relativos e absolutos dos cálculos não foram levados em consideração. Graças à análise de bolhas de ar contidas em núcleos glaciais, os pesquisadores conseguiram estabelecer dados sobre o teor de dióxido de carbono na atmosfera terrestre no intervalo de 1750-1960.
Ao longo dos últimos séculos, ocorreram mudanças significativas nos ecossistemas continentais, o motivo foi o aumento do impacto antropogênico. Com o aumento do teor quantitativo de dióxido de carbono na atmosfera do nosso planeta, o efeito estufa aumenta, o que afeta negativamente a existência de organismos vivos. É por isso que é importante mudar para tecnologias de economia de energia que permitem reduzir as emissões de CO 2 na atmosfera.
Composição química
A atmosfera da Terra surgiu como resultado da liberação de gases durante as erupções vulcânicas. Com o advento dos oceanos e da biosfera, formou-se também devido às trocas gasosas com a água, plantas, animais e seus produtos de decomposição em solos e pântanos.
Atualmente, a atmosfera da Terra é composta principalmente por gases e várias impurezas (poeira, gotas de água, cristais de gelo, sais marinhos, produtos de combustão).
A concentração de gases que compõem a atmosfera é quase constante, com exceção da água (H 2 O) e do dióxido de carbono (CO 2).
Além dos gases indicados na tabela, a atmosfera contém SO 2, NH 3, CO, ozônio, hidrocarbonetos, HCl, HF, vapor de Hg, I 2, bem como NO e muitos outros gases em pequenas quantidades. Na troposfera há constantemente uma grande quantidade de partículas sólidas e líquidas em suspensão (aerossóis).
Dióxido de carbono na atmosfera terrestre, a partir de 2011, é apresentado no valor de 392 ppm ou 0,0392%. O papel do dióxido de carbono ( CO 2 , dióxido ou dióxido de carbono) na vida da biosfera consiste principalmente em manter o processo de fotossíntese, que é realizado pelas plantas. Sendo um gás de efeito estufa, o dióxido de carbono no ar afeta a troca de calor do planeta com o espaço circundante, bloqueando efetivamente o calor re-irradiado em várias frequências e, assim, participa da formação do clima do planeta.
Em conexão com o uso ativo pela humanidade de transportadores de energia fóssil como combustível, há um rápido aumento na concentração desse gás na atmosfera. Pela primeira vez, a influência antropogênica na concentração de dióxido de carbono foi notada desde meados do século XIX. Desde então, sua taxa de crescimento vem aumentando e no final dos anos 2000 ocorreu a uma taxa de 2,20 ± 0,01 ppm/ano, ou 1,7% ao ano. De acordo com estudos separados, o nível atual de CO 2 na atmosfera é o mais alto dos últimos 800 mil anos e, possivelmente, dos últimos 20 milhões de anos.
Papel no efeito estufa
Apesar de sua concentração relativamente baixa no ar, o CO 2 é um componente importante da atmosfera terrestre porque absorve e re-irradia radiação infravermelha em vários comprimentos de onda, incluindo o comprimento de onda de 4,26 µm (modo vibracional - alongamento assimétrico da molécula) e 14,99 µm (flutuações de flexão). Esse processo exclui ou reduz a radiação da Terra para o espaço nesses comprimentos de onda, o que leva ao efeito estufa. A atual mudança na concentração de CO 2 atmosférico afeta as bandas de absorção, onde sua influência atual no espectro de reemissão da Terra leva a uma absorção apenas parcial.
Além das propriedades de efeito estufa do dióxido de carbono, o fato de ser um gás mais pesado que o ar também é significativo. Como a massa molar relativa média do ar é 28,98 g/mol e a massa molar do CO 2 é 44,01 g/mol, um aumento na proporção de dióxido de carbono leva a um aumento na densidade do ar e, consequentemente, a uma mudança na seu perfil de pressão dependendo da altura. Devido à natureza física do efeito estufa, tal mudança nas propriedades da atmosfera leva a um aumento na temperatura média da superfície.
Em geral, um aumento na concentração de um nível pré-industrial de 280 ppm para um nível moderno de 392 ppm equivale a uma liberação adicional de 1,8 watts por metro quadrado da superfície do planeta. Este gás também tem a propriedade única de ter um impacto de longo prazo no clima, que, após a emissão que o causou, permanece praticamente constante por até mil anos. Outros gases de efeito estufa, como metano e óxido nitroso, existem livres na atmosfera por um tempo menor.
Fontes de dióxido de carbono
As fontes naturais de dióxido de carbono na atmosfera incluem erupções vulcânicas, a combustão de matéria orgânica no ar e a respiração de representantes do mundo animal (organismos aeróbicos). Além disso, o dióxido de carbono é produzido por alguns microrganismos como resultado do processo de fermentação, respiração celular e no processo de decomposição de restos orgânicos no ar. As fontes antropogênicas de emissões de CO 2 na atmosfera incluem: a queima de combustíveis fósseis para gerar calor, gerar eletricidade e transportar pessoas e bens. Certas atividades industriais, como a produção de cimento e a utilização de gases por queima, geram emissões significativas de CO 2 .
As plantas convertem o dióxido de carbono que recebem em carboidratos durante a fotossíntese, que é realizada através do pigmento clorofila, que utiliza a energia da radiação solar. O gás resultante, o oxigênio, é liberado na atmosfera da Terra e usado para respiração por organismos heterotróficos e outras plantas, formando assim o ciclo do carbono.
Emissão antropogênica
Emissão de carbono na atmosfera como resultado do baile. atividade em 1800 - 2004
Com o advento da revolução industrial em meados do século XIX, houve um aumento progressivo das emissões antrópicas de dióxido de carbono para a atmosfera, o que levou a um desequilíbrio no ciclo do carbono e ao aumento da concentração de CO 2 . Atualmente, cerca de 57% do dióxido de carbono produzido pela humanidade é retirado da atmosfera por plantas e oceanos. A razão do aumento da quantidade de CO 2 na atmosfera para o total de CO 2 emitido é um valor constante de cerca de 45% e sofre flutuações de curto prazo e flutuações com um período de cinco anos.
A queima de combustíveis fósseis como carvão, petróleo e gás natural é a principal causa das emissões antropogênicas de CO 2 , o desmatamento é a segunda principal causa. Em 2008, a queima de combustíveis fósseis liberou 8,67 bilhões de toneladas de carbono (31,8 bilhões de toneladas de CO 2 ) na atmosfera, enquanto em 1990 a emissão anual de carbono foi de 6,14 bilhões de toneladas. O inventário de florestas para uso do solo resultou em um aumento do dióxido de carbono atmosférico equivalente à queima de 1,2 bilhão de toneladas de carvão em 2008 (1,64 bilhão de toneladas em 1990). O aumento acumulado ao longo de 18 anos é de 3% do ciclo natural anual de CO 2, o que é suficiente para desequilibrar o sistema e fazer com que os níveis de CO 2 aumentem rapidamente. Como resultado, o dióxido de carbono se acumulou gradativamente na atmosfera e em 2009 sua concentração foi 39% superior ao valor pré-industrial.
Assim, apesar de (a partir de 2011) a emissão antrópica total de CO 2 não ultrapassar 8% do seu ciclo anual natural, há um aumento da concentração devido não só ao nível de emissões antrópicas, mas também à constante aumento do nível de emissões ao longo do tempo.
Nos últimos três milhões de anos, a Terra experimentou muitas flutuações rítmicas, entrando e saindo das eras glaciais nos chamados ciclos de Milankovitch (em homenagem ao astrofísico da Sérvia). Os ciclos de Milankovitch na órbita da Terra alteram o ângulo e a quantidade de luz solar que atinge a superfície do nosso planeta. Mas essas oscilações climáticas seriam muito menores se não fosse o efeito amplificador das mudanças nas concentrações de gases de efeito estufa. Registros climáticos como blocos de gelo nos mostram exatamente como essas concentrações de gás mudam ao longo do tempo, pois contêm bolhas de ar antigo. Cabe a nós descobrir as razões pelas quais os gases de efeito estufa entram na atmosfera e dela desaparecem. Por exemplo, onde todo o dióxido de carbono desapareceu da atmosfera quando os períodos quentes deram lugar aos períodos glaciais?
O principal suspeito é o Oceano Antártico. A água rica em dióxido de carbono sobe à superfície e a troca com a atmosfera. Se essa ventilação diminuir, o nível de dióxido de carbono na atmosfera cairá. A diminuição da ressurgência em águas profundas causada por uma cobertura de água menos densa na costa da Antártida, por exemplo, poderia explicar o declínio do dióxido de carbono para 40 ppm de cerca de 100 ppm durante as últimas glaciações.
No entanto, muitos fatores permanecem desconhecidos. No final da década de 1980, oceanógrafos resolveram um dos quebra-cabeças. Eles encontraram regiões do oceano onde muitos dos nutrientes críticos nitrogênio e fósforo estavam presentes, mas a produtividade da fotossíntese era baixa. O que manteve o fitoplâncton? Fornecimento limitado de ferro.
O ferro em pó no ar pode ser transportado por longas distâncias de regiões secas; quando lançado no oceano, alimenta o crescimento do fitoplâncton marinho. John H. Martin e seus colegas sugeriram que isso explica para onde vai parte do dióxido de carbono durante as eras glaciais. Se mais poeira e ferro entrarem nos oceanos, o aumento da atividade biológica poderá atrair carbono para as profundezas do oceano.
As calotas polares da Antártida durante as eras glaciais continham grandes quantidades de poeira transportada pelo ar, acredita-se que grande parte tenha vindo da Patagônia, na América do Sul. A vasta planície de rochas sedimentares que emerge de uma geleira derretida é uma fonte ideal de poeira. Isto é especialmente verdade na Patagônia, onde os ventos são fortes e as chuvas durante a Idade do Gelo foram especialmente pronunciadas. Quanto maiores as geleiras aqui, mais poeira é produzida no ar que sopra no Oceano Antártico.
O crescimento do fitoplâncton, "fertilizado" por todo esse ferro, levará o dióxido de carbono da atmosfera para as profundezas do oceano. O dióxido de carbono, ou melhor, parte dele, leva o fitoplâncton no processo de fotossíntese, recebendo energia e material para o crescimento celular. Quando morre e afunda, leva consigo o carbono.
Tentativas de testar a teoria foram feitas ao longo dos anos, mas os resultados foram vagos. Eles se basearam principalmente no fato de que o fitoplâncton provavelmente usa moléculas de nitrato contendo nitrogênio com 14 átomos (o isótopo mais comum), e não nitrogênio-15. A proporção exata de nitrogênio-15 para nitrogênio-14 no fitoplâncton depende de quanto nitrato está disponível, se houver uma deficiência, qualquer um dos isótopos é usado. Se uma parte do oceano carente de ferro for fertilizada por poeira transportada pelo ar, mais nitrato será usado e a concentração diminuirá. Assim, a razão isotópica de nitrogênio (que pode ser registrada no sedimento) nos diz quanto nitrato foi usado.
Um novo estudo liderado por Alfredo Martínez-Garcia da ETH Zrich fornece um teste ainda melhor da hipótese de fertilização com ferro. Os avanços tecnológicos permitiram aos pesquisadores medir isótopos de nitrogênio em conchas de plâncton feitas de carbonato de cálcio, chamadas foraminíferos, em núcleos de sedimentos do fundo do mar. Estudos anteriores analisaram diatomáceas ou o próprio sedimento. Em ambos os casos, houve fatores que complicaram a análise, dificultando a interpretação dos resultados. Os pesquisadores também extraíram registros de fotossíntese e produtividade de ferro do vento, que abrangem um período de 160.000 anos.
A correlação entre isótopos de nitrogênio e ferro foi bastante forte. O teor de ferro aumentou à medida que o clima esfriou durante a última glaciação, a fonte foi o vento da Patagônia, e a concentração de nitratos na superfície do oceano parece ter diminuído. A análise também mostrou níveis mais elevados de fotossíntese durante esses períodos.
Os dados apontam para um impacto bem definido da fertilização com ferro, que traria mais carbono da atmosfera para o fundo do oceano. O mesmo processo também ocorreu em períodos de tempo mais curtos, contribuindo para mudanças no CO 2 com flutuações climáticas menores que duraram apenas alguns milhares de anos.
Gravações como essas ajudam a esclarecer o papel do Oceano Antártico entre outras partes do sistema climático que transformam os ciclos orbitais de Milankovitch em mudanças climáticas significativas.
