30/10/2014

Nosso planeta em movimento: Relâmpagos

Um pouco da história do conhecimento sobre os relâmpagos

Os relâmpagos, chamados de "raios" na mitologia, foram por muito tempo temidos por serem considerados "centelhas" que, embora ocorressem na atmosfera do nosso planeta, tinham origens sobrenaturais: eles eram a grande arma dos deuses e a maneira pela qual eles demonstravam sua cólera. Os gregos tanto maravilhavam-se como temiam os relâmpagos à medida que eles eram arremessados por Zeus, seu deus supremo que habitava o Olimpo. A imagem ao lado mostra O Deus do Olimpo segurando em sua mão direita raios que, a seu critério, seriam lançados sobre nós, simples mortais. 

Hoje o misticismo sobre os relâmpagos aos poucos vai sendo superado pelas técnicas experimentais científicas que desvendam as características deste belíssimo, e perigoso, fenômeno natural.

Um homem enfrenta os relâmpagos: Benjamin Franklin

Benjamin Franklin foi um dos maiores nomes da história dos Estados Unidos. Ele realizou o primeiro estudo científico sistemático sobre relâmpagos durante a segunda metade do século XVIII. Antes disso a ciência da eletricidade havia se desenvolvido até o ponto onde as cargas negativas e positivas podiam ser separadas. Atritando dois materiais diferentes, as máquinas elétricas eram capazes de armazenar cargas em capacitores primitivos chamados "garrafas de Leyden". Essas "garrafas" permitiam a geração e observação de centelhas elétricas. Este equipamento foi inventado independentemente, em novembro de 1745, por Ewald Jurgens (George) von Kleist (1700-1748), na Pomerânia, (antiga Alemanha, atual Polônia) e em janeiro de 1746 por Pieter (Petrus) van Musschenbroek (1692-1761), na cidade de Leyden, Holanda, a partir de uma experiência feita pelo seu assistente Cunaeus. A imagem abaixo mostra um conjunto de "garrafas de Leyden" que forma uma bateria.


Logo depois da sua descoberta a "garrafa de Leyden" ofereceu aos cientistas novas perspectivas para o estudo dos fenômenos da eletricidade. Curiosamente, como era comum acontecer naquela época com importantes descobertas da física, a "garrafa de Leyden" foi rapidamente adotada por "médicos", os chamados "eletroterapeutas", como uma panaceia para a solução de quase todos os problemas de saúde. Por volta de 1752 já haviam quase tantas publicações justificando o seu uso em tratamentos médicos como em qualquer outra área de pesquisa. O uso da "garrafa de Leyden" como aparato médico continuou a crescer e em 1789 já haviam sido publicados 70 artigos sobre "aplicações médicas" desse equipamento contra apenas 30 publicações cujo interesse era o estudo de suas propriedades físicas.

Embora outros pesquisadores tenham notado antes de Franklin à similaridade entre as centelhas produzidas em laboratório e os relâmpagos, ele foi o primeiro a projetar uma experiência que mostrou de modo conclusivo que os relâmpagos tinham natureza elétrica. Nesta experiência ele teorizou que as nuvens eram eletricamente carregadas e, em consequência disso, os relâmpagos também deveriam ser fenômenos elétricos. A experiência imaginada por Franklin consistia em permanecer sobre uma plataforma condutora segurando uma barra de ferro com uma das mãos de modo a obter uma descarga elétrica entre a outra mão e o chão. Se as nuvens fossem eletricamente carregadas centelhas deveriam saltar entre a barra de ferro e um fio aterrado sustentado por uma vela de cera isolada. Esta experiência foi realizada com sucesso por Thomas François D'Alibard, na França, em maio de 1752 quando centelhas foram observadas saltar de uma barra de ferro durante uma tempestade.

Antes de Franklin realizar sua experiência original, ele imaginou que uma maneira melhor de provar a sua hipótese era utilizar uma pipa. A pipa tomou o lugar da barra de ferro uma vez que ela podia alcançar uma altura muito maior e poderia voar para qualquer lugar. Franklin testou sua teoria fazendo a perigosa experiência de soltar uma pipa durante uma tempestade com relâmpagos. Esta experiência foi realizada no estado da Pensilvânia, Estados Unidos, em 15 de junho de 1752. Nesta data, a mais famosa pipa da história voou com centelhas saltando de uma chave amarrada ao fio úmido da pipa por uma fita de seda isolada que por sua vez estava amarrada às articulações dos dedos da mão de Franklin. O corpo aterrado de Franklin fornecia uma trajetória condutora para as correntes elétricas respondendo ao forte campo elétrico formado pelas nuvens da tempestade.

Entretanto, existem fortes evidências que se Benjamin Franklin realmente realizou esta experiência, ele não a fez do modo que é comumente descrito. Teria sido dramático porém fatal. Várias evidências mostram que Franklin estava isolado, e não em um caminho condutor, pois se isso fosse verdade ele teria sido eletrocutado. A prova disso é que, infelizmente, outros pesquisadores foram espetacularmente eletrocutados nos meses posteriores ao famoso experimento de Franklin. No dia 6 de agosto de 1753 o físico sueco Georg Wilhelm Richmann, que trabalhava em São Petersburgo, na Rússia, tentou juntamente com seu amigo M. Sokolaw, gravador da Academia de São Petersburgo, atrair um relâmpago. Ele colocou um fio no topo de sua casa e o conduziu até um cômodo situado na sua parte inferior. Esse fio foi ligado a uma barra de ferro que era mantida suspensa acima de uma "agulha elétrica" e de um recipiente de água com limalhas de ferro. Richmann conseguiu provar que as nuvens de tempestades continham carga elétrica mas, infelizmente, foi eletrocutado pelo relâmpago recebido durante a experiência.

Os Para-Raios

Em 1753, Benjamin Franklin publicou uma descrição do primeiro para-raios na revista "Poor Richard’s Almanac". A partir daí muitos para-raios, chamados "para-raios Franklin", foram instalados em prédios nas colônias inglesas que hoje formam os Estados Unidos. Em 1760, um para-raios Franklin evitou que houvessem danos em uma casa na cidade da Filadélfia atingida diretamente por um relâmpago. Em 1764, os para-raios já eram muito comuns nas casas e igrejas. O primeiro para-raios usado na Inglaterra foi colocado em 1760 no farol Eddystone, uma estrutura de madeira que já havia sido anteriormente destruída por um relâmpago. 

Na verdade, o debate entre os defensores dos para-raios pontudos contra os rombudos passou a ser uma questão política em vez de científica. Por exemplo, o rei George III da Inglaterra defendia o uso de para-raios rombudos por identificar os equipamentos pontudos com as colônias norte-americanas rebeldes. Essa decisão política fez com que os ingleses da East India Company removessem os para-raios pontudos de seus armazéns de pólvora localizados na ilha de Sumatra. Mais tarde, um desses depósitos foi destruído graças à incidência direta de um relâmpago. 

A imagem abaixo, obtida por M. G. Loppé, mostra um relâmpago golpeando a Torre Eiffel no dia 3 de junho de 1902, às 9:20 da noite. Essa é uma das mais antigas fotografias de relâmpago em áreas urbanas e foi publicada pela primeira vez no "Bulletin de la Société Astronomique de France". Posteriormente ela foi divulgada no livro "Thunder and Lightning", de Camille Flammarion, traduzido para o inglês e publicado em 1906.


Como funciona o Para-Raios?

Cada para-raios fornece um cone de proteção ao redor de um edifício numa inclinação de 45 graus. Por esta razão, os sistemas de proteção dos edifícios frequentemente contêm mais de um para-raios. A instalação apropriada requer que os condutores tenham altura suficiente, estendam-se sobre todos os pontos elevados do prédio, sejam conectados num sistema sem ângulos agudos, e enterrados bem fundo em pontos diferentes. Durante uma tempestade, a concentração da carga positiva será máxima na ponta do para-raios e, graças a isso, aumentará a probabilidade da descarga proveniente da nuvem atingir essa ponta. Após isso acontecer, a descarga segue inofensivamente ao longo de um fio condutor isolado até atingir o solo. A imagem abaixo mostra o esquema de instalação de um para-raios.


Durante algum tempo foi usado um tipo de para-raios chamado "radioativo". Esse tipo de para-raios possuía o elemento químico amerício 241 em sua extremidade, um material radioativo que tem uma vida média de 458 anos. Ele se distinguia por ter na extremidade superior de sua torre placas em forma de pratos, em geral três, empilhadas. 

O sistema de para-raios radioativo foi considerado ineficiente pela Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e seu uso foi proibido pelo Decreto nº 33.132/93. O uso desses para-raios está proibido desde abril de 1995. A imagem ao lado mostra o captador de um para-raios radioativo.

28/10/2014

Traje espacial do futuro

Os astronautas vão ter mais liberdade de movimentos em passeios espaciais fora das naves e no solo da Lua ou de Marte. Uma espécie de segunda pele aerodinâmica apropriada para o espaço foi projetada por pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) coordenados pelo professor Dava Newman. A nova roupa espacial é mais leve que as volumosas vestimentas atuais que precisam receber uma pressão de gases para manter o astronauta no espaço. Essa função poderá ser exercida no traje espacial do futuro por uma espécie de estrutura de tecido elástico forrado com minúsculas bobinas que imitam células musculares lisas. Essas bobinas para manter a pressurização desejada podem se contrair se ligadas a uma fonte de calor na nave. Elas moldam a roupa ao corpo do astronauta como uma segunda pele. A contrapressão mecânica exercida pela roupa faria o corpo permanecer no espaço ou em ambientes sem gravidade. Para tirar a roupa bastaria outra pequena carga elétrica. O traje voltaria a ficar solto no corpo. As bobinas são produzidas com uma liga de níquel-titânio em folhas muito finas. Esse material tem a propriedade de guardar a forma original e depois de pressionado voltar à mesma posição. O projeto foi financiado pela agência espacial norte-americana (NASA) e pelo programa MIT-Portugal, que reúne estudantes e professores de universidades portuguesas e do MIT em pesquisas sobre sistemas de engenharia.

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27/10/2014

NASA divulga áudios históricos de suas missões


A NASA disponibilizou em uma página do Soundcloud mais de 60 áudios históricos de suas missões. Dentro da biblioteca sonora da agência espacial americana, você poderá ter acesso a clássicos como “Houston, we've had a problem" e “One small step for man, one giant leap for mankind”.

Escutar as palavras “The Eagle has landed” – momento exato em que o módulo lunar pousou no satélite natural – está muito mais acessível. Basta ir à página da NASA para escutar esses e muitos outros áudios inesquecíveis. Em anúncio oficial, a empresa brincou: “Agora vocês podem escutar as palavras de Neil Armstrong toda vez que seu telefone tocar, se você escolher esse ringtone”.

“Ou talvez escutar as memoráveis palavras 'Houston, we've had a problem’ sempre que o seu computador der erro”, completou a agência. Talvez não seja um salto para a humanidade, mas o novo serviço da NASA não deixa de ser interessante.

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24/10/2014

Ondas Gravitacionais


Se há algo que cria expectativa para os físicos teóricos nas áreas de cosmologia e relatividade geral é o fato de que, mesmo previstas por Einstein em sua teoria, as ondas gravitacionais nunca foram detectadas. Ainda não surgiram provas experimentais consistentes e inequívocas de sua existência. 

Além das ondas (ou radiações) gravitacionais, existem mais três tipos, já confirmadas em experimentos consagrados. Uma delas é a eletromagnética, muito presente no nosso cotidiano. A energia elétrica, rádio, televisão, telefonia, etc. são exemplos de sua aplicação As outras duas só são obtidas em laboratório, porque os campos associados a elas atuam apenas na escala subatômica.

Falta a radiação gravitacional. Mas há um problema: sua amplitude é extremamente pequena. As perturbações que os cálculos teóricos prevêem possuem dimensões ínfimas.

Para se ter uma ideia, considere as ondas do mar. Quanto maior for a onda, isto é, quanto maior sua amplitude maior o dano que ela pode provocar em regiões costeiras. As ondas no mar são consequência indireta da força eletromagnética, responsável por uma propriedade peculiar dos líquidos: a coesão. Mesmo assim, na superfície, pode haver variações de altura. Portanto, ocorrem modulações na altura que são transmitidas em todas as direções. É o que se constata quando atiramos uma pedra em um lago tranquilo. A variação na altura decorrente do choque da pedra com a superfície do lago se propaga em todas as direções da superfície em círculos concêntricos.

O campo gravitacional estende-se pelo espaço e alcança galáxias ou além, mas com intensidade muito fraca. As perturbações que nele ocorrem são mínimas, tornando difícil sua detecção.

Einstein, em sua teoria da relatividade geral, propôs que o campo gravitacional geraria ondas caso fosse perturbado. Por exemplo, o movimento da Terra em torno do Sol produziria uma perturbação no campo gravitacional do Sol. Logo, a uma distância conveniente e com instrumentos apropriados, seria possível medir as ondas provocadas pelo movimento orbital da Terra.

Desde então experimentos complexos foram elaborados visando detectar as ondas gravitacionais (o gráviton, uma partícula equivalente ao fóton no caso da luz) que estaria propagando-se por todo o universo. Nenhuma experiência chegou a resultados satisfatórios, até hoje.

Porém, há dois indícios de sua existência. Após anos de observação, foi detectada perda de energia gravitacional num sistema binário de estrelas, onde uma delas é um pulsar. Mas as ondas gravitacionais emitidas pelo pulsar nunca foram detectadas.

Outro indício vem do que é denominado radiação cósmica de fundo, prevista teoricamente no início dos anos 50. Essa radiação, com temperatura de 3 Kelvins (-270 graus Celsius) foi confirmada em 1965, utilizando um radio telescópio. Ela é estudada exaustivamente, pois, de acordo com a teoria do “big bang”, está relacionada com a origem do universo. Mais recentemente, já no século XXI, a sonda WMAP aprimorou de forma expressiva os resultados.

Físicos teóricos demonstraram que ondas gravitacionais agiram durante um intervalo de tempo extremamente curto, num processo denominado “inflação cósmica”. Durante a inflação cósmica as leis da física, tal como conhecemos hoje, ainda não se aplicavam. Por exemplo, a força gravitacional era invertida, isto é, em vez de atrativa era repulsiva. Mesmo sendo um período muito curto, foi suficiente para permitir agregação de massa, possibilitando a formação de estrelas, galáxias, etc.

Resquícios dessa interação teriam deixado “pegadas” na “radiação cósmica de fundo”, de forma que hoje poderíamos detectar essas “pegadas”, que levam o sugestivo nome de “polarização-B”.

Então o raciocínio é o seguinte: se detectamos a polarização-B na radiação cósmica de fundo, então é verdade que a era da inflação aconteceu, e, portanto, as ondas gravitacionais existem, pois, é de sua existência que se concluiu pela ocorrência da era da inflação, entendeu? É uma “volta” na lógica, mas é a única coisa que temos. 

Recentemente, pesquisas utilizando um rádio telescópio que opera no pólo sul (BICEP2) anunciaram a descoberta das ondas gravitacionais. Entretanto, os resultados também foram insuficientes, devido ao não esclarecimento da seguinte questão: como saber se os registros instrumentais estão detectando efeitos da inflação cósmica, existente nos primórdios do universo, ou interferências indesejáveis oriundas de poeira galáctica?

Entra em cena a sonda espacial Planck e todas as atenções voltam-se para ela. Era preciso confirmar se não havia poeira galáctica na região observada. Contudo, trabalhos publicados recentemente mais uma vez mostraram resultados inconclusivos.

Questões fundamentais continuam sem comprovação experimental. Os físicos teóricos ainda terão que conviver com suas expectativas por mais algum tempo.

Inversão de polaridade no campo magnético da Terra

O campo geomagnético muda completamente, isto é, o pólo norte magnético desloca-se para o sul (e vice versa) em intervalos de tempo não regulares, variando desde dezenas de milhares a milhões de anos. As causas disso, ligadas à dinâmica interna da Terra na região do núcleo, ainda não são completamente conhecidas. Cientistas argumentam que este processo pode voltar a ocorrer daqui a alguns séculos. 

Até hoje aceita-se que a reversão de polaridade ocorre em longos intervalos de tempo irregulares. Nos últimos anos alguns estudos sugerem que as mudanças acontecem com velocidade nunca antes imaginada. Um recente trabalho publicado no Geophysical Journal International dá detalhes sobre essas mudanças rápidas.

Como saber que as mudanças no campo geomagnético aconteceram há tanto tempo atrás? Por exemplo, analisando camadas de cinzas depositadas por erupções vulcânicas ao longo de 10000 anos, encontradas em um leito de lago próximo a Roma. De acordo com um estudo da Universidade de Berkeley, a direção do campo geomagnético ficou “gravada” nessa camada de cinza, e pode ser datada de forma confiável para saber qual era sua orientação na época.

Figura 1 - A cerca de 789000 anos atrás o polo norte, então
 situado ao redor da Antártida, começou a mudança para a posição
atual, na região Ártica.

Existem evidências comprovadas que o campo está mudando. Dados paleomagnéticos indicam que o norte deslocou-se quase 900 quilômetros nos últimos dois séculos. Observações efetuadas por três satélites da agência espacial européia revelaram que o campo está ficando mais fraco em alguns pontos e forte em outros. 

Para os especialistas da área não é surpreendente que outra inversão ocorra num futuro distante, afetando toda a vida na Terra. Um campo alterado durante a fase de inversão pode implicar em menos proteção contra a radiação ultravioleta. O impacto na infra estrutura também seria sentido, especialmente em tudo que depende da energia elétrica, desde redes de geração, transmissão e consumo, até os modernos equipamentos eletrônicos mais sensíveis.

Figura 2 - O campo geomagnético atua como um 
escudo protetor contra emiisões intensas de
radiações solares.

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23/10/2014

Ficção e Realidade

“Cair da Noite” é um conto de ficção científica escrito por Isaac Asimov em 1965. Nele, vive-se num planeta (Lagash) que orbita seis sóis, de forma que a noite é um fato raro, ocorrendo uma vez a cada 2000 anos, aproximadamente.

Asimov retrata uma civilização que não conhece o céu noturno. Na Terra, confirmamos a validade da lei da gravitação universal, formulada por Newton, porque astrônomos, durante séculos, observam o movimento de planetas à noite, utilizando telescópios cada vez mais sofisticados.

O reconhecimento que não somos um ponto central e privilegiado do universo, deve-se também à constatação da existência de outros sóis. 

Um importante momento em Lagash é a véspera de um eclipse. Astrônomos, ou mais especificamente, “heliólogos” (pois os únicos astros disponíveis eram os sóis e as luas) estão entusiasmados porque a lei de Newton tinha acabado de ser deduzida. Com base nela conseguiram prever o eclipse. Acreditavam que seriam capazes de observar algum astro distante na escuridão vindoura. 

Porém, havia um problema. Para conhecê-lo vamos recomendar a leitura do conto.

Um sistema de seis sóis é uma improbabilidade da natureza. O conto foi escrito uma década antes da comprovação que um sistema com mais de dois corpos, cujas massas são comparáveis, é altamente instável. 

Mesmo assim, é fascinante a descoberta de um grupo de centenas de estrelas capazes de possuir planetas, com observações realizadas pelo telescópio espacial Kepler, concebido especialmente para encontrar planetas extra-solares (ou exoplanetas). Destas foram confirmados cerca de 50, denominadas sistemas binários, isto é, formados por duas estrelas.

Neste caso a dificuldade é determinar a qual estrela os planetas pertencem. Foram encontrados sistemas binários com pelo menos um planeta. Mas as estrelas estão tão próximas que é difícil comprovar qual planeta orbita uma delas, ou ambas, de forma estável.

Talvez não seja tão exótico pensar numa civilização vivendo em planetas com órbitas estranhas, onde não exista noite, ou ela seja rara. Pensemos aqui na Terra. Se a Lua fosse um “outro Sol” então só haveria noite uma vez por mês. Um sistema em que o planeta tivesse uma órbita em forma de “8” faria da noite um fenômeno raro. Será que as pessoas se comportariam como Asimov descreve em seu conto? Exageros à parte, o que se imagina na ficção científica, eventualmente, com o passar do tempo, pode vir a ser uma realidade. 

Futuro: uma comunicação com Lagash?