Tipos de aquíferos

Os aquíferos costumam ser divididos em dois tipos: livres (também denominados freáticos) e artesianos

Os aquíferos livres são aqueles em que a água assume uma pressão igual à atmosférica (Fig. 1.5); por sua vez, os aquíferos artesianos apresentam a água submetida a uma pressão superior à atmosférica (Fig. 1.6). Para a compreensão do funcionamento de um aquífero artesiano, deve-se imaginar uma situação como a indicada na Fig. 1.6, na qual se executa um poço até a camada de baixa permeabilidade (poço nº 1).

Nesse poço, o nível d’água localiza-se na posição N.A.1. Se outros poços (no 2 ou no 3), mais profundos, forem escavados nas proximidades do poço no 1, enquanto os fundos desses poços estiverem dentro da camada de baixa permeabilidade, o nível da água permanecerá em N.A.1 (poço nº 3) ou praticamente seco (poço nº 2).

Entretanto, quando o fundo da escavação desses poços ultrapassar a camada de baixa permeabilidade, o nível da água subirá bruscamente para o nível N.A.2. Esse fenômeno é conhecido como artesianismo.

Imagem retirada do livro Rebaixamento Temporário de Aquíferos – 2ª ed. (Ed. Oficina de Textos, 2018). Todos os direitos reservados.

Atualmente, o termo poço artesiano já extrapolou sua origem etimológica, pois, em termos corriqueiros, refere-se a qualquer poço para a obtenção de água a grande profundidade. A origem do nome está associada à província de Artois, situada ao norte da França. Essa região ficou conhecida quando se concluiu, com sucesso, um poço em 1126, utilizando-se as primeiras técnicas de perfuração em substituição às tradicionais escavações a céu aberto (Água subterrânea e poços tubulares, da Cetesb).

Há registro de que os primeiros poços perfurados nessa região foram feitos por frades da ordem de São Bruno, que utilizaram o princípio dos vasos comunicantes. Obtinham, assim, um jato de água que jorrava à superfície, em um poço que fosse perfurado a determinada profundidade, de modo que o nível de água recebesse a pressão de qualquer reservatório de água localizado em plano mais elevado.

Ainda com base na Fig. 1.6, podem-se diferenciar dois tipos de poços artesianos: o poço no 2 denomina-se poço artesiano não jorrante (pois o nível de água nele existente se mantém abaixo do nível do terreno), enquanto o poço no 3 se chama poço artesiano jorrante (pois o nível de água é superior ao terreno em que foi perfurado).

Artesianismo também pode ocorrer pelas pressões de gás

Veja a Fig 1.7. Esta mostra a ocorrência de artesianismo durante a execução de uma sondagem à percussão na cidade de Itajaí (Santa Catarina), no momento em que sua perfuração ultrapassou o final da camada “impermeável” confinante, que mantinha a água sob pressão do gás estancada.

Imagem retirada do livro Rebaixamento Temporário de Aquíferos – 2ª ed. (Ed. Oficina de Textos, 2018). Todos os direitos reservados.

Outra situação em que ocorre artesianismo é apresentada na Fig. 1.8. Trata-se de um artesianismo provocado em decorrência de uma escavação, mantida seca, com o auxílio do esgotamento da água, utilizando bombas de recalque, nas quais suas paredes são estanques (por exemplo, cortina diafragma ou estacas pranchas justapostas) e interceptam uma camada de baixa permeabilidade.

Duas situações específicas podem ocorrer nos aquíferos livres. A primeira é o chamado aquífero suspenso, também conhecido por nível freático empoleirado, que ocorre quando a água está em uma espécie de concha formada por uma camada de solo pouco permeável, situada acima do nível freático da região (nível da água N.A.1, da Fig. 1.5).

Imagem retirada do livro Rebaixamento Temporário de Aquíferos – 2ª ed. (Ed. Oficina de Textos, 2018). Todos os direitos reservados.

Geralmente, esse tipo de aquífero é transitório, pois a água escoa por intermédio da camada pouco permeável, abastecendo o aquífero inferior. O tempo necessário para o escoamento da água depende da altura na “concha” e do coeficiente de permeabilidade da camada por onde se processa a percolação (conceito a ser exposto no item 1.4) e das condições de alimentação desse aquífero.

Conhecimento do tipo de aquífero é importante, pois, no caso do aquífero livre empoleirado, o fluxo de água se dá no sentido da gravidade, ou seja, de cima para baixo; no aquífero artesiano, esse fluxo ocorre de baixo para cima. O nível de água atingido em um poço artesiano (N.A.2 dos poços 2 e 3, da Fig. 1.6) define o nível piezométrico, enquanto o nível da água N.A.1, do poço 1 da mesma figura, cujo fundo não ultrapassou a camada impermeável, e, portanto, situa-se em um aquífero livre, define o nível freático.

Aquíferos freáticos

Nesse caso, a variação do nível de água corresponde à variação do volume de água armazenada. Ao contrário, a variação do nível piezométrico não está correlacionada com a variação de volume de água armazenada, mas com a variação da pressão que está submetida.

Na medição dos níveis de água de um aquífero livre, usa-se o medidor de nível de água. Se o aquífero é artesiano, a variação da pressão da água é medida com o piezômetro, termo que significa literalmente medidor de pressão. Este deve ser usado no lugar do medidor do nível de água, pois permite medir tanto o nível freático quanto da altura piezométrica. A Fig. 1.9 mostra, esquematicamente, esses dois medidores.

Imagem retirada do livro Rebaixamento Temporário de Aquíferos – 2ª ed. (Ed. Oficina de Textos, 2018). Todos os direitos reservados.

Cientistas buscam rocha para “enterrar” CO2 no subsolo por ao menos mil anos

• Ciências Exatas e da Terra

- 03/07/2018
 

Pesquisadores trabalham em tecnologias para capturar gás na fonte – uma siderúrgica, por exemplo -, transportá-lo e estocá-lo em local adequado

Por Silvana Salles - Editorias: Ciências Exatas e da Terra, Tecnologia

Pesquisadores estão na fase de recolher amostras e observar as condições geológicas dos locais estudados. Depois de ensaios de laboratório e simulações computadorizadas, dados obtidos integrarão um atlas – Arte sobre foto/Divulgação Research Centre for Gas Innovation

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Pesquisadores que participam do Centro de Pesquisa para Inovação em Gás (RCGI, na sigla em inglês) estão procurando um método para reduzir consideravelmente a chegada à atmosfera do gás dióxido de carbono (CO₂) emitido na região Sudeste do Brasil.

A proposta é identificar quais rochas poderiam guardar de forma segura uma porção significativa do CO₂ liberado pela indústria, retendo-o por pelo menos mil anos. A pesquisa engloba duas regiões onde há rochas que poderiam armazenar o gás: a Bacia Sedimentar do Paraná, cuja extensão vai do Mato Grosso até a Argentina, e a Bacia de Santos, de onde se extrai petróleo tanto no pré-sal quanto no pós-sal.

O projeto, que está sendo realizado no Instituto de Energia e Ambiente (IEE) da USP, segue uma linha de pesquisa chamada de Captura e Armazenamento de Carbono (CCS, do inglês carbon capture and storage). A CCS consiste em um conjunto de métodos e tecnologias para capturar o dióxido de carbono na fonte emissora – uma siderúrgica, por exemplo -, transportá-lo e estocá-lo em um local adequado.

Campos de petróleo

Bacia Sedimentar do Paraná e a Bacia de Santos analisadas na pesquisa – Foto: Wikimedia Commons

Soa curiosa a ideia de “enterrar” um gás no subsolo, mas a proposta não é ficção científica. As tecnologias de CCS são irmãs daquelas utilizadas pela indústria de petróleo e gás.
Segundo o geólogo Colombo Celso Gaeta Tassinari, diretor do IEE e coordenador do projeto, um tipo de reservatório geológico que costuma ser avaliado para armazenar CO₂ é justamente a própria rocha que contém petróleo. Em alguns casos, um campo de petróleo desativado pode servir como reservatório do gás carbônico.

“O problema aqui no pré-sal é que o petróleo já tem muito CO₂ naturalmente. Começar a reinjetar mais CO₂ nessas rochas vai piorar cada vez mais a qualidade do óleo. Então, no caso específico da Bacia de Santos, não é recomendável fazer isso”, explica Tassinari. Problema semelhante ocorre com outro tipo de rocha encontrada na região, a do aquífero salino. Por também estar associada a uma camada de petróleo, a injeção de CO₂ pode igualmente prejudicar a qualidade do óleo.

Gás bem guardado

Há um terceiro tipo de rocha com potencial para armazenar dióxido de carbono, presente em duas unidades geológicas da Bacia do Paraná. É o chamado folhelho negro – uma rocha sedimentar argilosa rica em matéria orgânica, que tem alta porosidade, mas não tem permeabilidade. Ao contrário do que ocorre nos outros tipos de rochas, nos folhelhos negros o gás e o óleo não conseguem migrar com facilidade pelos poros, pois as partículas de argila envolvem as moléculas dessas substâncias.

É desse tipo de rocha que, nos Estados Unidos, se extrai o shale gas, popularmente conhecido como gás de xisto – que é o metano, basicamente. A técnica de extração mais utilizada por lá é gerar pequenas fraturas na rocha com a força da água. O chamado fraturamento hidráulico é usado justamente porque as rochas são impermeáveis.

“Nós temos que fazer um poço, que normalmente começa vertical até atingir a camada que está a 2 mil metros de profundidade, por exemplo. Quando atinge essa camada, esse poço vira horizontal e entra por dentro da camada por até um quilômetro e meio. Depois, são feitas pequenas explosões na parte horizontal desse poço, dentro da camada de que se quer retirar o gás. Essas explosões é que vão gerar pequenas fraturas na rocha”, explica o diretor do IEE.

Após essas explosões, é injetada uma grande quantidade de água com areia. Quando essa água entra com grande pressão dentro do poço, ampliam-se as fraturas que foram geradas inicialmente. “Os grãos de areia vão impedir que essas fraturas se fechem pela pressão que vai estar lá embaixo. E por aí vai sair o metano”, detalha Tassinari, e acrescenta que o mesmo processo pode ser utilizado substituindo a injeção da mistura de água com gás pelo bombeamento de CO₂ em alta pressão.
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Próximos passos

Nesta etapa do projeto do RCGI, os pesquisadores estão recolhendo amostras e observando em campo as condições geológicas dos locais estudados. As amostras serão submetidas a ensaios de laboratório, cujos resultados serão utilizados para gerar simulações computadorizadas do fluxo de CO₂ nas rochas e possibilidade de escape. Os dados obtidos integrarão um atlas, a ser publicado no final do projeto.

De acordo com Tassinari, o investimento em pesquisa para aplicação de CCS deve ser encarado como uma atitude ambientalmente correta, uma vez que abre uma saída sustentável para reduzir a emissão de gases de efeito estufa.

“Se uma usina termelétrica estiver situada em um terreno acima dessas rochas favoráveis, podemos pegar esse CO₂ emitido pela termelétrica e reinjetar lá embaixo. Ele nem vai para a atmosfera”, diz o docente. “Podemos fazer um sistema fechado, por exemplo. Se esse poço foi usado para a retirada do metano, está bom porque viabiliza economicamente essa injeção. Se não for, o lucro é gerado ao armazenar CO₂, que é o lucro ambiental, em créditos de carbono”, completa.
A pesquisa do RCGI é financiada pela Fapesp e pela Shell.

Mau uso da água subterrânea agrava a crise hídrica

11 de março de 2016

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Se utilizadas com critério, as águas subterrâneas podem ser um importante recurso complementar para o enfrentamento da crise hídrica. No entanto, a perfuração indiscriminada de poços e o consumo excessivo estão levando os aquíferos da Região Metropolitana de Recife ao limite de uma salinização irreversível. Ao mesmo tempo, os aquíferos da Região Metropolitana de São Paulo – que poderiam, com baixo investimento e em prazo relativamente curto, proporcionar um aporte adicional de 1 metro cúbico de água boa por segundo – encontram-se subutilizados. O duplo alerta foi feito pelo pesquisador Ricardo Hirata, do Centro de Pesquisas de Águas Subterrâneas (Cepas-USP) do Instituto de Geociências da Universidade de São Paulo.

Esquema, em corte vertical, dos aquíferos de Recife:consumo descontrolado está forçando a entrada de águas do mar e de águas salobras de aquíferos superficiais, com risco de degradação irremediável.

 

 O estudo sobre a situação de Recife foi coordenado por Hirata em Projeto Temático apoiado pela FAPESP: “Projeto Coqueiral: desafios associados à qualidade da água em Recife: como enfrentar a contaminação e a salinização das águas subterrâneas sob a perspectiva de mudança ambiental global e seu contexto social”.
Já o estudo sobre a situação de São Paulo foi publicado por ele e colaboradores na Revista DAE, mantida pela Sabesp (Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo): “Água subterrânea para abastecimento público na Região Metropolitana de São Paulo: é possível utilizá-la em larga escala?”.

Aquíferos de Recife: consumo e salinização

“Na contabilidade oficial, a água subterrânea atende a 13% do abastecimento público da Região Metropolitana de Recife. Mas, quando consideramos os 14 mil poços existentes na região, que cobrem as falhas no fornecimento público, descobrimos que esse número está subestimado. A água subterrânea atende de fato a 28% do consumo”, disse Hirata à Agência FAPESP.

“Milhares de poços foram perfurados sem respeito aos critérios técnicos e sem controle por parte administração pública. Não me refiro apenas poços de pouca profundidade nos bairros pobres, mas também a poços tubulares de mais de 100 metros, os chamados ‘artesianos’, em condomínios ricos como os dos bairros de Boa Viagem e Pina. Em consequência disso, os aquíferos encontram-se agora seriamente ameaçados, com intrusão de água do mar e início de salinização. Se persistir o ritmo atual de bombeamento, os aquíferos poderão estar irremediavelmente perdidos por volta de 2035”, prosseguiu o pesquisador.

Segundo dados levantados pelo Projeto Coqueiral, 70% dos poços de Recife são ilegais. E a zona sul da região metropolitana, onde reside a população de alta renda, concentra o maior número de poços tubulares privados do país. Houve um aumento dramático da perfuração durante a grande estiagem de 1997/98. A situação é agravada pelo comércio de água por meio de carros-pipa, que se tornou um negócio altamente rentável na cidade. Os proprietários dos veículos enchem os tanques com água de poço e saem vendendo nos condomínios. “Recife vive a típica ‘tragédia dos comuns’, quando a soma das soluções individuais [perfuração de poços] acarreta um problema para todos [superexploração dos aquíferos]”, comentou Hirata.
O bombeamento desmedido ameaça fazer agora aquilo que uma elevação de quatro metros do nível do mar, ocorrida há cerca de 5 mil anos, não conseguiu fazer: salinizar os aquíferos. “Fizemos a datação da água dos aquíferos profundos por meio do teste do carbono 14 [que estabelece a data do material pela proporção entre os isótopos 14 e 12 do carbono presentes na amostra]. E descobrimos que essa água é doce e pura há mais de 18 mil anos. Sabemos que, há cerca de 7 mil anos, o mar começou a subir. E atingiu seu nível máximo, quatro metros acima do atual, por volta de 5 mil anos atrás. Mas o decorrente avanço do oceano para o interior da área continental não foi suficiente para alcançar a área de recarga dos aquíferos. Por isso, eles não foram salinizados”, informou o pesquisador.

Essa área de recarga é uma elevação topográfica, de rochas do embasamento cristalino, existente na região serrana que fica a oeste de Recife. É por ela que as águas das chuvas, que se infiltram no solo, entram nos aquíferos. Se, no último grande avanço, o mar tivesse chegado até essa região, os aquíferos teriam sido salinizados. Mas isso não aconteceu.
De fato, houve uma salinização em época anterior, há cerca de 120 mil anos, quanto o nível do oceano esteve muito mais alto. Mas, com a continuidade do processo de recarga, novas águas doces despejadas pelas chuvas foram se infiltrando nos aquíferos ao longo de milênios, empurrando a água salgada através do aquitarde (rochas de baixa permeabilidade, associadas às formações Paraíso e Estiva), até a área de descarga no fundo do mar.
“Existe um movimento natural de oeste para leste. As águas novas entram nos aquíferos na área de recarga, e saem no mar. Esse mecanismo faz com que a idade das águas subterrâneas seja crescente de oeste para leste. Elas são mais jovens perto da serra e mais velhas perto da costa. Mas esse ciclo está sendo comprometido agora pelo bombeamento excessivo, que diminui as cargas hidráulicas da água doce no interior dos aquíferos e possibilita a intrusão da água salgada”, explicou Hirata.

Projeto Coqueiral

Segundo o pesquisador, conduzir o Projeto Coqueiral foi como montar um grande quebra-cabeças. A pesquisa integrou estudos nas áreas de geologia, hidrogeologia, macrossociologia (urbanização e política institucional de gestão da água), mesossociologia (percepções e participações coletivas no manejo da água) e microssociologia (práticas individuais relativas ao uso da água). Muitas informações sobre o passado remoto, relativas à evolução do nível do mar ou às variações do clima regional, ficaram registradas nas águas subterrâneas. E foram recuperadas por meio de miríades de análises.
Por exemplo, o conhecimento de que houve uma intrusão de água salgada no passado remoto foi possível porque se sabe que, nos processos de salinização e dessalinização, muito frequentes em aquíferos, existe uma troca de cátions, que fica registrada na água. Foi esse registro que permitiu constatar a ocorrência de uma salinização do aquífero e de uma posterior “lavagem” (freshening) com água doce. “Como a última grande ingressão do mar no continente capaz de causar tal salinização aconteceu há 120 mil anos, acreditamos que, desde então, o aquífero está sendo dessalinizado. E, como as águas atuais são doces, e foram datadas pelo carbono 14 com idades variando de 8 a 18 mil anos – portanto, muito anteriores à época da mais recente elevação do nível do mar –, pudemos deduzir que, nessa segunda ocorrência, não houve salinização. Isso é consistente com outro dado, que é o fato de que uma elevação de quatro metros não é suficiente para que o avanço do mar terra adentro chegue até a área de recarga”, detalhou Hirata.

Pela medição da quantidade de gases nobres dissolvidos na água atual, foi possível determinar também qual era a temperatura da água na época da recarga, isto é, a temperatura da água há cerca de 18 mil anos. “Atualmente, a temperatura média de Recife é de 25,5º C. A temperatura média na época da recarga era 15º C. Ou seja, a região encontrava-se, então, 10 graus mais fria – o que corroborou outras estimativas sobre o clima da época, associado ao final de uma glaciação. Já as idades recentes das águas de aquíferos mais rasos foram confirmadas pela análise de gases CFCs e SF6, presentes somente em águas com menos de 60 anos. Foram muitas variáveis que, medidas, ajudaram a montar o quebra-cabeças”, afirmou o pesquisador.
As águas subterrâneas de Recife estão distribuídas em três grandes estoques: Boa Viagem, um aquífero pouco profundo e livre, vulnerável à salinização e à contaminação, amplamente utilizado pela população pobre; Beberibe, um aquífero profundo e confinado, usado no abastecimento público e industrial; e Cabo, outro aquífero profundo e confinado, usado no abastecimento privado residencial da população de maior poder econômico.

O sobreconsumo atual está salinizando não apenas o aquífero superficial, mas também os aquíferos profundos. “O bombeamento intensivo tem mudado a direção e o sentido dos fluxos de água subterrâneos. Uma parte da água que chega agora aos aquíferos profundos vem de unidades mais rasas, pela indução da recarga por meio de fluxos verticais descendentes através do aquitarde, e também do oceano, pelo deslocamento horizontal de leste para oeste”, explicou Hirata.
A quantificação desse fenômeno e relação precisa entre a taxa de extração de água e a taxa de recarga com água doce são as variáveis que os pesquisadores pretendem agora determinar, com o aperfeiçoamento da modelagem numérica.
Aquíferos de São Paulo: potencial subutilizado
Assim como em Recife, também na Região Metropolitana de São Paulo existem dois tipos de estoques de água subterrânea: o aquífero sedimentar, localizado em áreas em que o relevo é mais suave; e o aquífero cristalino, que se estende abaixo do aquífero sedimentar e aflora em locais onde o relevo é mais acidentado. “É essa água subterrânea que também dilui os esgotos lançados nos rios, sustenta a vida aquática e recarrega os reservatórios superficiais de abastecimento público em épocas de estiagem”, informou Hirata.

“Nas áreas de baixa ocupação urbana, mais permeáveis, predomina a recarga natural por chuvas; nas áreas mais impermeabilizadas e de forte urbanização, as fugas das redes públicas de distribuição, da coletora de esgotos e das galerias pluviais podem representar mais de 50% da recarga dos aquíferos”, escreveram

O volume de água de recarga que se infiltra anualmente nos aquíferos da Bacia do Alto Tietê é estimado em 53 m³/s. Desse montante, 33 m³/s poderiam ser captados de forma segura por meio de poços profundos, sem interferir no fluxo de base dos rios. Tal número é quase a metade da atual capacidade instalada do sistema produtor metropolitano, computada em 67,7 m³/s.
A água subterrânea já é intensamente utilizada em algumas áreas, mas sem cumprimento de critérios técnicos e gestão centralizada. “O último levantamento, realizado em 2009, estimou a existência de 12 mil poços profundos, retirando dos aquíferos cerca de 10 m³/s. Desse total, apenas 4.931 poços encontravam-se cadastrados no Departamento de Águas e Energia Elétrica (DAEE). Em função da estiagem dos anos 2013, 2014 e 2015, o ritmo de perfurações foi intenso, especialmente de poços irregulares. E há várias zonas aquíferas com sintomas de superexploração, o que ocorre quando a taxa de bombeamento é maior do que a capacidade do aquífero, criando prejuízos ao recurso, aumentos intoleráveis aos custos da extração ou impactos ecológicos”, afirmou Hirata.

Apesar disso, a maior parte dos aquíferos da Região Metropolitana de São Paulo ainda apresenta capacidade de maior extração. E, no artigo citado, o pesquisador e seus colaboradores recomendaram ao órgão gestor que novos poços para abastecimento público fossem construídos em áreas subutilizadas, em especial onde já existe

“Evidentemente, o plano de construção deveria valer-se dos melhores recursos técnicos disponíveis, com a utilização de modelos digitais do terreno, imageamentos óptico e acústico das fraturas em poços, medições de velocidades de fluxos etc., resultando em sucesso na locação de poços produtivos. Além disso, uma vez construído, cada poço precisaria ser monitorado continuamente, para se obter a melhor relação entre as vazões necessárias, a exploração segura dos aquíferos e o consumo de energia elétrica, além da identificação de problemas que eventualmente exigissem manutenção. E o gerenciamento de um conjunto de poços estratégicos teria que ser integrado por um sistema automático de operação e controle por telemetria”, sublinhou Hirata.
Qualidade da água

Segundo as contas dos pesquisadores, 180 poços públicos permitiriam oferecer à população um aporte adicional de um metro cúbico de água por segundo, a um custo para construção, operação e manutenção competitivo em relação ao custo de obtenção de novas fontes de água superficial.
“Existe uma falsa percepção de que a água subterrânea da Região Metropolitana de São Paulo é de baixa qualidade devido à contaminação por esgotos, vazamentos de tanques de combustíveis em postos de serviços e infiltração de substâncias químicas em zonas industriais. Mas tais situações restringem-se apenas a determinadas áreas. Milhares de poços tubulares profundos legais existentes receberam outorga de uso porque as análises químicas requeridas demonstraram que a água era potável. De fato, a água subterrânea, especialmente quando captada nas porções mais profundas do aquífero, é melhor protegida da poluição do que a água dos reservatórios superficiais”, ponderou o pesquisador.

“Além disso, quando bem captadas, as águas subterrâneas dispensam tratamento químico, obrigatoriamente utilizado no tratamento de águas superficiais. E não geram resíduos sólidos – o que torna sua gestão muito menos custosa”, acrescentou.

 

Reservas subterrâneas de CO2

ED. 234 | AGOSTO 2015

© LUCA GALUZZI / WWW.GALUZZI.IT

Aquíferos de desertos como o Atacama, acima, podem reter carbono.

Os aquíferos que se formam nas profundezas de desertos ao redor do mundo podem estar ajudando a estocar mais dióxido de carbono (CO₂) do que a metade de todas as plantas da Terra, de acordo com pesquisadores da Corporação Universitária para Pesquisas Atmosféricas, nos Estados Unidos. Sabe-se hoje que 40% do CO₂ produzido pelo ser humano por meio dos combustíveis fósseis e desmatamento permanece suspenso na atmosfera, enquanto cerca de 30% vai para os oceanos. Por muito tempo os cientistas acreditaram que os outros 30% seriam absorvidos pelas florestas. Agora se pensa que as plantas podem não sequestrar todo esse CO₂ remanescente.

Uma nova pesquisa sugere que parte do carbono está se dispersando em aquíferos de desertos, que não entravam antes nas contas. Ao examinarem o fluxo de água em um deserto na China, os pesquisadores verificaram que o CO₂ suspenso na atmosfera era absorvido por plantas, liberado no solo e transportado para os aquíferos no subsolo, de onde não pode escapar de volta para a atmosfera (Geophysical Research Letters, 28 de julho).

Eles acreditam que esses aquíferos estejam absorvendo 14 vezes mais CO₂ do que se pensava todos os anos. Segundo eles, conhecer a localização dos reservatórios subterrâneos – que cobrem uma área do tamanho da América do Norte – poderia ajudar a aprimorar os modelos climáticos que hoje estimam os efeitos das mudanças climáticas e os cálculos sobre o estoque de carbono na Terra.

Dança da chuva

A escassez de água que alarma o país tem relação íntima com as florestas 

MARIA GUIMARÃES | Edição 226 - Dezembro de 2014

 © LÉO RAMOS

Alterações no volume e periodicidade das precipitações e mau uso dos aquíferos estão entre os fatores que secam os canos de parte do Brasil.

A Amazônia não é apenas a maior floresta tropical que restou no mundo. Esse sem-fim de verde entrecortado por rios serpenteantes de tamanhos e cores variados também não se limita a ser a morada de uma incrível diversidade de animais e plantas. A floresta amazônica é também um motor capaz de alterar o sentido dos ventos e uma bomba que suga água do ar sobre o oceano Atlântico e do solo e a faz circular pela América do Sul, causando em regiões distantes as chuvas pelas quais os paulistas hoje anseiam. Mas o funcionamento dessa bomba depende da manutenção da floresta, cuja porção brasileira, até 2013, perdeu 763 mil quilômetros quadrados (km²) de sua área original, o equivalente a três estados de São Paulo. Antonio Donato Nobre, pesquisador do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), não aponta o dedo para culpados. O que importa para ele é reverter esse processo e não apenas zerar o desmatamento, mas recuperar a floresta. No relatório O futuro climático da Amazônia, divulgado no fim de outubro, ele deixa claro que o único motivo para não se tomarem providências imediatas para reduzir o desmatamento é desconhecer o que a ciência sabe. Para ele, o caminho é conscientizar a população. “Agora é um bom momento porque as torneiras estão secando”, afirma.

No relatório, elaborado a partir da análise de cerca de 200 trabalhos científicos, ele mostra que a cada dia a floresta da bacia amazônica transpira 20 bilhões de toneladas de água (20 trilhões de litros). É mais do que os 17 bilhões de toneladas que o rio Amazonas despeja no Atlântico por dia. Esse rio vertical é que alimenta as nuvens e ajuda a alterar a rota dos ventos. Nobre explica que os mapas de ventos sobre o Atlântico mostram que, no hemisfério Sul e a baixas altitudes, o ar se move para noroeste na direção do equador. “Na Amazônia a floresta desvia essa ordem”, diz. “Em parte do ano, os ventos alísios carregados de umidade vêm do hemisfério Norte e convergem para oeste/sudoeste, adentrando a América do Sul.”

Essa circulação viola um paradigma meteorológico que diz que os ventos deveriam soprar das regiões com superfícies mais frias para aquelas com superfícies mais quentes. “Na Amazônia, o ano todo eles vão do quente, o Atlântico equatorial, para o frio, a floresta”, explica. Uma parceria com os russos Anastasia Makarieva e Victor Gorshkov, do Instituto de Física Nuclear de Petersburgo, tem ajudado a explicar do ponto de vista físico os fenômenos meteorológicos da Amazônia. Em artigo publicado em fevereiro de 2014 no Journal of Hydrometeorology, eles afirmam, com base em análises teóricas confirmadas por observações empíricas, que o desmatamento altera os padrões de pressão e pode causar o declínio dos ventos carregados de umidade que vêm do oceano para o continente. O grupo analisou os dados de 28 estações meteorológicas em duas áreas do Brasil e viu que os ventos que vêm da floresta amazônica carregam mais água e estão associados a maiores índices de chuvas do que ventos que partem de áreas sem floresta e chegam à mesma estação.
Isso acontece, segundo os pesquisadores, por causa da bomba biótica de umidade, uma teoria proposta pela dupla russa em 2007 para explicar a dinâmica de ventos impulsionada por florestas. Essa ideia completa a descrição feita pelo  climatologista José Antonio Marengo, à época pesquisador do Inpe, de como a Amazônia exporta chuvas para regiões mais meridionais da América do Sul. A teoria da bomba biótica aplica uma física não usual à meteorologia e postula que a condensação da água, favorecida pela transpiração da floresta, reduz a pressão atmosférica que suga do mar para a terra as correntes de ar carregadas de água.

Os fundamentos da influência da condensação sobre os ventos foram apresentados em artigo publicado em 2013 por Anastasia e Gorshkov, em parceria com Nobre e outros colaboradores, na Atmospheric Chemistry and Physics, uma das revistas mais importantes da área. Por meio de uma série de equações, eles mostram que o vapor de água lançado à atmosfera pela transpiração da floresta gera, ao condensar, um fluxo capaz de propelir os ventos a grandes distâncias.

De acordo com Nobre, a nova física da condensação proposta por eles gerou, ainda durante a revisão do artigo, uma controvérsia com meteorologistas, que debateram o assunto furiosamente em blogs científicos com a intenção de derrubar a principal equação do trabalho. Não conseguiram e o trabalho foi publicado. O pesquisador do Inpe explica a polêmica. “É uma física que atribui à condensação, um fenômeno básico e central do funcionamento atmosférico, um efeito oposto ao que se acreditava”, diz. “Será necessário reescrever os livros didáticos da área.”

Para dar a dimensão da dificuldade de diálogo entre físicos teóricos e meteorologistas, Nobre lembra que a física desenvolve um entendimento dos fenômenos atmosféricos a partir de leis fundamentais da natureza, enquanto a meteorologia o faz, em grande parte, com base na observação de padrões do clima do passado, cuja estatística é absorvida em modelos matemáticos. Tais modelos representam bem as flutuações climáticas observadas, mas apresentam falhas quando há alterações significativas no padrão.
É o caso agora, quando um novo contexto – ocasionado por desmatamento, mudanças globais no clima ou outros fatores – gera fenômenos climáticos inesperados para certas regiões, como chuvas mais torrenciais e secas mais extensas. A teoria física acerta onde extrapolações do passado erram, por isso é preciso, segundo ele, construir novos modelos climatológicos que recoloquem a física no centro dos esforços da meteorologia.

O momento agora é crucial porque o clima amazônico vem mudando. Secas importantes nessa região marcaram os anos de 2005 e 2010. “Antes a Amazônia tinha a estação úmida e a mais úmida, agora há uma estação seca”, diz Nobre. Os danos dessas secas na floresta não foram aniquiladores porque ela consegue se regenerar, mas o acúmulo dos danos aos poucos erode essa capacidade. Um efeito importante que já se observa, previsto há 20 anos por modelos climáticos, é um prolongamento da estação seca, que tem prejudicado a produção agrícola em porções do estado do Mato Grosso. A grande preocupação é que se chegue a um ponto de não retorno, em que a floresta já não consiga produzir chuva suficiente para suprir nem a si própria. Trabalhos de modelagem que levam em conta clima e vegetação indicam que esse ponto será atingido quando 40% da área original de floresta for perdida, um número que não é unânime. Segundo o relatório de Nobre, 20% da floresta já foi cortada e outros 20%, alterados a ponto de terem perdido parte de suas propriedades.

© GERARD MOSS / PROJETO RIOS VOADORES

Rios voadores: correntes de vapor-d’água que se formam sobre a floresta amazônica exportam chuvas para a região Sul do Brasil

Se a teoria da bomba biótica estiver correta, os efeitos desse ponto de não retorno devem ser mais graves do que a savanização proposta pelo climatologista Carlos Nobre, irmão mais velho de Antonio (ver Pesquisa FAPESP nº 167). “Se a floresta perder a capacidade de trazer a umidade do oceano, a chuva na região pode cessar por completo”, diz o Nobre caçula. Sem água para sustentar uma savana, o resultado poderia ser uma desertificação na Amazônia. Se isso ocorrer, o cenário que ele infere para o Sul e o Sudeste do país poderia ser semelhante ao de outras regiões na mesma latitude: tornar-se um deserto.
Antonio Nobre não se arrisca a falar muito sobre São Paulo. “Meu relatório é sobre a Amazônia.” Mas ele acredita que a seca por aqui não independe do que acontece no Norte. Em sua opinião, foi possível devastar boa parte da mata atlântica sem sentir uma redução nas chuvas porque a Amazônia era capaz de suprir a falta de água na atmosfera local. Mas isso já não parece acontecer mais.

Ele aproveita o ensejo para sugerir que não apenas a floresta amazônica, mas também a que acompanhava a costa de quase todo o Brasil precisa ser recuperada imediatamente. Se não for por outro motivo, o esgotamento a que chegaram as represas que alimentam boa parte da população paulista deveria bastar como argumento.
A exportação de água desde a Amazônia para outras regiões do Brasil, sobretudo o Sudeste e o Sul, é uma realidade, por meio do fenômeno conhecido como rios voadores (ver Pesquisa FAPESP nº 158). Um indício dessa linha direta foram as intensas chuvas no sudoeste da Amazônia no início de 2014, praticamente o dobro do volume habitual, ao mesmo tempo que São Paulo passava pelo pior momento de uma seca histórica. “A chuva ficou presa em Rondônia, no Acre e na Bolívia por causa de um bloqueio atmosférico, algo como uma bolha de ar que impedia a passagem da umidade. Isso criou uma estabilidade atmosférica, inibiu a formação de chuvas e elevou as temperaturas”, conta Marengo, agora pesquisador do Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais (Cemaden). Ele é coautor de um artigo liderado por Jhan Carlo Espinoza, do Instituto Geofísico do Peru, que está em processo de publicação pela Environmental Research Letters e é parte dos resultados do programa Green Ocean (GO) Amazon, que tem apoio da FAPESP.

Não é possível, porém, afirmar o quanto essa relação determina a estiagem paulista. “Ainda não se sabe calcular quanto das chuvas do Sudeste vem da Amazônia nem quanto chega aqui trazido por frentes frias vindas do Sul, pela umidade carregada por brisas marinhas ou pela evaporação local”, diz. Para ele, o desmatamento pode ter um impacto no longo prazo, mas ainda é impossível dizer se ele está relacionado com a seca atual. “O Sudeste pode não virar um deserto”, pondera, “mas os extremos climáticos podem se tornar mais intensos”. Estudos usando modelos climáticos criados pelo grupo de Marengo já previam uma redistribuição do total das chuvas, com um volume muito grande em poucos dias e estiagens mais prolongadas, algo que já tem sido observado no Sudeste e no Sul do país nos últimos 50 anos.

Além desse efeito a distância, em escala nacional, a relação entre vegetação e recursos hídricos também se dá numa escala mais local, de acordo com o engenheiro agrônomo Walter de Paula Lima, professor da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) da Universidade de São Paulo (USP) e coordenador científico do Programa Cooperativo de Monitoramento Ambiental em Microbacias (Promab) do Instituto de Pesquisas e Estudos Florestais. Em seus estudos sobre o efeito das florestas (ou sua remoção) em microbacias hidrográficas, ele mostrou que a mata ciliar, que acompanha os cursos de água, ajuda a manter a boa saúde de pequenos rios. “O sistema Cantareira, que abastece São Paulo, é formado por milhares de microbacias”, conta. “As que estão mais degradadas não contribuem para o manancial.” Essa avaliação, porém, carece de dados experimentais concretos. Segundo Lima, para se saber exatamente o efeito das matas ciliares nos mananciais seria necessário estudar uma microbacia experimental em que se possa medir propriedades dos cursos d’água com e sem a proteção de floresta, sem que haja outros fatores envolvidos. Um quadro praticamente inatingível.
Uma experiência prática que reforça a importância de se preservar as matas ciliares para a manutenção dos recursos hídricos é relatada pelo biólogo Ricardo Ribeiro Rodrigues, da Esalq, especialista em recuperação de florestas nativas. Ele conta que há 24 anos a água desapareceu da microbacia de Iracemápolis, município no interior paulista. A prefeitura buscou ajuda na Esalq, e o grupo de Rodrigues implementou um projeto de conservação de solo da microbacia e de recuperação da mata ciliar que deveria estar ali. “Fui lá recentemente e levei um susto”, conta o pesquisador. O nível da represa está um pouco mais baixo, mas tem água suficiente para continuar abastecendo Iracemápolis, que teve sua população triplicada nesse período. “Toda a região está com problemas de falta de água, mas Iracemápolis não.”
As florestas afetam a saúde dos recursos hídricos por meio de sua influência nas chuvas, mas também tem importância a sua relação com as águas subterrâneas. O engenheiro Edson Wendland, professor no Departamento de Hidráulica e Saneamento da USP de São Carlos, estuda justamente o que acontece com a recarga do aquífero Guarani quando o cerrado é substituído por culturas como pastagem, cana-de-açúcar, cítricos ou eucalipto. O trabalho tem sido feito na bacia do Ribeirão da Onça, no município de Brotas, interior paulista, estudada desde os anos 1980.
Por meio de poços de monitoramento e estações climatológicas, a ideia é detalhar, antes que não sobre mais vegetação original de cerrado por ali, como se dá a recarga do aquífero Guarani sob diferentes regimes de uso do solo. “Não é possível gerenciar o que não se conhece”, diz Wendland sobre uma das fontes de água subterrânea mais importantes do Brasil. O aquífero é uma camada porosa de rochas na qual se infiltra a água das chuvas, depois liberada lentamente para os rios. Essa diferença de tempo entre o abastecimento e a descarga, consequência do trajeto lento da água pelo meio subterrâneo, é o que garante perenidade aos rios, que dependem dessa poupança hídrica.

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No fim de novembro o sistema Cantareira tinha água no reservatório Paiva Castro…

O grupo de Wendland tem mostrado, por exemplo, que a disponibilidade de água diminui quando se substituem as pequenas árvores retorcidas do cerrado, adaptadas a viver sob estresse hídrico, por eucaliptos, que consomem bastante água e em poucos anos atingem o tamanho de corte. Medições feitas entre 2004 e 2007 mostram que as taxas de recarga têm relação íntima com a intensidade da precipitação e o porte das culturas agrícolas nessa região onde o cerrado está praticamente extinto, de acordo com artigo aceito para publicação nos Anais da Academia Brasileira de Ciências.

Isso não significa, porém, que os eucaliptos sejam vilões incondicionais. O impacto de árvores de grande porte depende, em parte, da profundidade do aquífero no ponto em que estão plantadas. Segundo Lima, os mais de 20 anos de monitoramento contínuo feito pelo Promab mostraram que a relação entre espécies florestais e água não é constante. “Onde a disponibilidade é crítica, um elemento novo pode secar as microbacias”, explica. “Mas onde o balanço hídrico e climático é bom, a diminuição de água nem é sentida.” Essas conclusões deixam claro que é necessário fazer um zoneamento de onde se pode plantar e onde a prática seria nociva, um planejamento que não existe no Brasil.
Para Wendland, a importância de entender a relação entre o cerrado e os aquíferos é crucial porque as nascentes da maioria das grandes bacias hidrográficas do país estão no domínio desse bioma. Além da importância como recurso hídrico, algumas dessas bacias – do Paraná, do Tocantins, do Parnaíba e do São Francisco – são as principais fornecedoras de água para geração de energia elétrica no Brasil.
Em pouco mais de meio século, metade da área do cerrado foi desmatada e deu lugar a atividades agrícolas. Para avaliar o efeito dessa alteração no uso do solo sobre a disponibilidade hídrica, o doutorando Paulo Tarso de Oliveira, do grupo de São Carlos, fez um estudo usando dados de sensoriamento remoto em toda a área desse bioma. Com os sensores, é possível avaliar não só a alteração da vegetação, mas também quantificar as precipitações, os índices de evapotranspiração pelas plantas e estimar a variação de armazenamento de água. Segundo artigo publicado em setembro de 2014 na Water Resources Research, os dados indicam uma redução do escoamento por causa de atividades agrícolas mais intensas.

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… enquanto a seca era evidente no Jacareí/Jaguari

O desmatamento e o uso agrícola do solo têm importância, mas Wendland afirma que o maior problema para a recarga do aquífero hoje é a redução nas chuvas. “O aquífero supre a falta de precipitação por dois ou três anos, depois já não consegue manter o escoamento de base nos rios”, diz. Nos últimos anos as precipitações da estação chuvosa foram abaixo da média, o que diz os resultados observados. Explica também, segundo ele, fenômenos alarmantes como o esgotamento da principal nascente do rio São Francisco, que permaneceu seca por cerca de três meses e só voltou a jorrar água no final de novembro.
O desafio do gerenciamento das águas subterrâneas, que representam 98% da água doce do planeta, tem outras particularidades em zonas urbanas, onde pode ser um recurso crucial. Segundo o geólogo Ricardo Hirata, do Instituto de Geociências (IGc) da USP, 75% dos municípios paulistas são abastecidos, em parte ou completamente, por essas águas. Isso inclui cidades importantes do estado, com destaque para Ribeirão Preto, onde elas servem a 100% dos mais de 600 mil habitantes. Na escala nacional, outras cidades completamente abastecidas por águas subterrâneas são Juazeiro do Norte, no Ceará, Santarém, no Pará, e Uberaba, em Minas Gerais, de acordo com o livro Águas subterrâneas urbanas no Brasil, em processo de publicação pelo IGc e pelo Centro de Pesquisa em Águas Subterrâneas (Cepas).

Surpreendente nas cidades é que a água perdida pelo abastecimento público vai parar no aquífero. “A impermeabilização do solo diminui a penetração da água da chuva, mas as perdas compensam e superam essa redução e o saldo é uma recarga maior onde há cidades, em comparação com outras áreas”, explica Hirata. “Se analisarmos a água de um poço qualquer em São Paulo, metade será do aquífero e metade da Sabesp.” Ele estima que a capital paulista tenha quase 13 mil poços, todos particulares, muitos ilegais. “Existe uma legislação para gerenciamento desse recurso, mas ela não é seguida”, conta.
Um problema causado pelas cidades é a contaminação dos aquíferos por nitrato, devido a vazamentos no sistema de esgotos. Como a descontaminação é cara, os poços afetados acabam abandonados. Nas cidades em que são usados para abastecimento público, a solução é misturar água poluída à de poços limpos para que a qualidade total seja aceitável. “Em Natal não há mais água suficiente para mesclar”, alerta Hirata. O subterrâneo é fonte de 70% da água na capital potiguar.
Outro tipo de poluição importante vem da indústria, como a causada pelos solventes organoclorados. O geólogo Reginaldo Bertolo, também do IGc e diretor do Cepas, estuda como esse poluente se comporta no aquífero abaixo de Jurubatuba, na zona Sul paulistana, uma região industrial desde os anos 1950. “É um contaminante de difícil comportamento no aquífero”, conta. Nessa rocha dura, onde a água corre em fraturas, o composto mais denso do que a água se aprofunda e só para quando chega a um estrato impermeável. “São produtos tóxicos e carcinogênicos.” A poluição impede o uso da água subterrânea numa região onde a demanda é forte.
Em colaboração com pesquisadores da Universidade de Guelph, no Canadá, o grupo de Bertolo está mapeando esses poluentes para entender como ele se comporta e propor estratégias para eliminá-lo do aquífero. Para isso, o próximo passo é usar um sistema desenvolvido pelos canadenses para retirar amostras da rocha e instalar poços de monitoramento especiais. “O equipamento permite coletar água de mais de 20 fraturas diferentes numa mesma perfuração”, afirma. “Vamos fazer um modelo matemático para reproduzir o que acontece e fazer prognósticos.”

Bertolo alerta que é importante mapear melhor as águas subterrâneas e analisar sua qualidade, porque é um recurso que pode ser complementar nas cidades. “A água subterrânea é um recurso pouco conhecido.” A engenheira Monica Porto, da Escola Politécnica da USP, não acredita que seja possível expandir muito o uso dessas águas na Região Metropolitana de São Paulo. Em sua opinião, para ir além dos cerca de 10 metros cúbicos por segundo (m³/s) extraídos dos milhares de poços existentes, seriam necessários milhares de novas perfurações. “Mas esses 10 m³/s não podem faltar, precisamos cuidar deles.”

Monica, que já foi presidente e ainda integra o conselho consultivo da Associação Brasileira de Recursos Hídricos, pensa em maneiras de assegurar a segurança hídrica para a população. Faltar água está, de fato, entre as coisas mais graves que podem acontecer numa cidade. “Somos obrigados a trabalhar com uma probabilidade de falha muito baixa.” Segundo ela, em 2009 o governo paulista encomendou a uma empresa de consultoria um estudo sobre o que precisaria ser feito para garantir o suprimento de água. O estudo ficou pronto em outubro de 2013, já em meio à mais importante crise hídrica da história do estado. Monica explica que é impossível considerar a Grande São Paulo de forma isolada, porque não há mais de onde tirar água sem disputar com vizinhos. Por isso, o estudo abrange a megametrópole, que engloba mais de 130 municípios e uma população de 30 milhões de pessoas.

As obras necessárias à melhoria da segurança hídrica já começaram, com um sistema para recolher água do rio Juquiá, no Vale do Ribeira, que deve ficar pronto em 2018. Está em fase de licenciamento ambiental a construção das barragens de Pedreira e Duas Pontes, que devem abastecer a região de Campinas. “Manaus e Campinas são as únicas cidades do Brasil com mais de um milhão de pessoas que não têm reservatório de água”, conta Monica. Não faz falta a Manaus, às margens do rio Amazonas, mas faz a Campinas, que depende do sistema Cantareira. Ela, que em casa “faz das tripas coração” para economizar água, afirma que a crise atual é importante para conscientizar a população sobre a necessidade de se reduzir o consumo. Também ressalta a importância do conjunto de medidas que precisará ser revisto em caráter emergencial. “Temos que aprender pela dor”, diz Monica, que costuma brincar que é melhor que não chova muito para não afastar a instrutiva crise. “Mas, se não chover muito em breve, vou parar de brincar: precisa chover.”
Projetos
1. Entendimento das causas dos vieses que determinam o início da estação chuvosa na Amazônia nos modelos climáticos usando observações do GoAmazon e chuva (13/50538-7); Pesquisador responsável José Antonio Marengo Orsini (Cemaden); Modalidade Auxílio Regular a Projeto de Pesquisa – GoAmazon; Investimento R$ 57.960,00 (FAPESP).
2. Estabelecimento do modelo conceitual hidrogeológico e de transporte e destino de compostos organoclorados no aquífero fraturado da região de Jurubatuba, São Paulo (13/10311-3); Pesquisador responsável Reginaldo Antonio Bertolo (IGc-USP); Modalidade Auxílio Regular a Projeto de Pesquisa; Investimento R$ 502.715,27 (FAPESP).


Artigos científicos

MAKARIEVA, A. M. et al. Why does air passage over forest yield more rain? Examining the coupling between rainfall, pressure and atmospheric moisture content. Journal of Hydrometeorology. v. 15, n. 1, p. 411-26. fev. 2014.

MAKARIEVA, A. M. et al. Where do winds come from? A new theory on how water vapor condensation influences atmospheric pressure and dynamics. Atmospheric Chemistry and Physics. v. 13, p. 1039-56. 25 jan. 2013.

ESPINOZA, J. et al. The extreme 2014 flood in South-western Amazon basin: The role of tropical-subtropical South Atlantic SST gradient. Environmental Research Letters. v. 9, n. 12. 8 dez. 2014.

WENDLAND, E. et al. Recharge contribution to the Guarani Aquifer System estimated from the water balance method in a representative watershed. Anais da Academia Brasileira de Ciências. no prelo.

OLIVEIRA, P. T. S. et al. Trends in water balance components across the Brazilian Cerrado. Water Resources Research. v. 50, n. 9, p. 7100-14. set. 2014.