Arquivo da tag: Física

Essas setas estão na verdade apontando para o mesmo lado [experimento científico]


Confira o vídeo abaixo com o fenômeno chamado refração:

Neste experimento simples, que você pode repetir em casa, a seta muda de direção devido à refração. Quando a luz passa de um material para outro, ela pode dobrar ou refratar.

O que aconteceu no vídeo foi que, conforme a luz viajou, passou pelo ar, através do vidro, através da água, depois pelo vidro de novo, daí pelo ar de novo, até chegar na seta. Com isso, mudou de velocidade e refratou.

O copo de água é como uma lupa. Quando a luz passa através de uma lente de aumento, curva em direção ao centro. Depois, toda a luz se encontra de novo no chamado ponto focal, mas, para além desse ponto focal, a imagem parece inverter porque os raios de luz que passaram ali dobraram entre si, e a luz que estava do lado direito está agora à esquerda, e a da esquerda na direita, o que faz com que a seta pareça invertida.

Em resumo, com a refração, a luz encontra um ponto focal do lado de fora do vidro e altera de direção, resultando em uma imagem invertida.

O diagrama explica isso melhor:

convex lens tree

Tradução:

A glass of water from above = copo de água visto de cima

Light ray = raio de luz

Focal point = ponto focal

Fonte: http://hypescience.com/essas-setas-estao-na-verdade-apontando-para-o-mesmo-lado-experimento-cientifico/

A curiosa física de 7 de brinquedos clássicos


Comparados com o fascínio dos atuais jogos de videogame, os brinquedos clássicos de outrora podem parecer chatos para as crianças de hoje.

Mas, na verdade, eles não são tão mundanos quanto parecem: muitos desses brinquedos incorporam importantes conceitos físicos, e brincar com eles ajuda as crianças a desenvolver uma compreensão intuitiva do mundo ao seu redor – algo que não pode ser adquirido a partir dos virtuais jogos modernos.

Confira:

1 – PIÕES

spinning-top2-02

O pião, um brinquedo encontrado em muitas culturas do mundo e mesmo entre ruínas arqueológicas, tem alguns profundos princípios físicos. O primeiro é a conservação do momento angular, a lei que dita que, na ausência de influências externas, um objeto girando deve se manter girando.

Como o pião gira em cima de um ponto minúsculo, ele experimenta uma quantidade mínima de fricção com a superfície abaixo dele, e assim continua girando por um tempo deliciosamente longo, demonstrando a lei.

Mas, como o atrito, eventualmente, retarda o brinquedo, ele torna-se instável e começa a balançar, levando à demonstração de um outro princípio, chamado de “precessão”. Quando o pião balança, seu eixo de rotação – a linha invisível que corre verticalmente através de seu centro – se inclina para a lateral, fazendo um ângulo.

Este ângulo permite que a força da gravidade exerça um “torque” no pião, colocando giro adicional sobre ele, e isso faz com que ele balance para fora em um arco, ainda girando. Em um esforço para conservar seu momento angular total, o pião precessa mais rápido quanto mais lento gira, o que explica porque normalmente os piões dão um solavanco “para fora” quando o atrito para seu giro.

2 – LÂMPADAS DE PLASMA

plasma_lamp_touching-02

Lâmpadas de plasma (ou globos) são lindas apresentações visuais de uma variedade muito estranha da matéria.

Esses vidros transparentes são preenchidos com uma mistura de gases não reativos – como hélio, neônio e criptônio – mantidos a menos de um centésimo de pressão do ar exterior.

A esfera menor no centro da lâmpada é um eletrodo – um condutor elétrico que é usado para transferir eletricidade a partir de um circuito para um vácuo circundante. Quando a lâmpada é ligada, uma corrente elétrica de alta frequência flui para o eletrodo, e de lá, passa para os átomos gasosos que o rodeiam. A corrente ioniza os átomos, dando-lhes uma carga elétrica e, simultaneamente, fazendo com que eles emitam flashes de luz. Um gás ionizado é chamado de plasma.

Como os elétrons tentam fluir tão longe um do outro quanto possível (repelidos uns pelos outros pelas suas cargas negativas), eles atiram o eletrodo central em todas as direções no vidro exterior. Suas rotas de fuga são os filamentos de plasma visíveis nas lâmpadas.

Colocar a mão perto do vidro altera o campo elétrico que existe entre o eletrodo central e o vidro, fortalecendo a força que atrai os elétrons para fora. É por isso que um filamento de plasma parece atraído pela sua mão quando você toca a bola.
Felizmente, as lâmpadas de plasma comerciais são de baixa potência, suficiente para que não te machuque quando a corrente elétrica passa ao longo do filamento através do vidro para sua mão.

3 – MOLA MALUCA

Um brinquedo de mola clássico apresenta um pouco de física verdadeiramente surpreendente. Quando você mantém uma mola no ar e a deixar cair, seu fundo permanece totalmente parado até que o resto da mola se junte, para depois cair no chão. Parece pairar no ar, desafiando as leis da física, antes de finalmente cair no chão com o resto da mola (veja no vídeo) – e esse comportamento tem um sentido físico perfeito.

“A explicação mais simples é que a extremidade inferior está parada conforme a gravidade a puxa para baixo, e a tensão a puxa para cima – forças iguais e opostas”, disse o professor Rod Cross. “Nenhum movimento ocorre na extremidade inferior, até ela receber a informação de que a tensão mudou. E é preciso tempo para que a informação se propague através da mola”.

Em suma, uma onda de compressão, que carrega informações sobre o desaparecimento da força para cima, tem que viajar até a mola para que a extremidade inferior “saiba” que a mola foi solta, e deve cair.
O que seria realmente desafiante é se a extremidade inferior da mola caísse no instante em que alguém soltasse a mola. Este tipo de ação nunca acontece na natureza.

4 – PÁSSARO SEDENTO

Em um episódio de Os Simpsons, o personagem Homer pega um dos brinquedos clássicos de “pássaro bebendo água” para que ele pressione a tecla Y (de “Yes” para “sim”) em seu teclado de computador, fazendo o seu trabalho por ele, enquanto ele sai para ver um filme. Um enredo inteligente, mas não realista: a presença de um copo de água é crucial para o movimento do pássaro sedento ou bebedor.

O brinquedo é uma “máquina térmica” simples que converte energia térmica derivada da água em trabalho mecânico.

A ponta de feltro do bico da ave deve primeiro ser mergulhada na água. No interior, a bola de vidro da cabeça da ave é preenchida com vapor que evapora de um líquido – geralmente um composto químico chamado diclorometano – que preenche o seu corpo mais abaixo.

Quando o bico do pássaro sai da água, a água começa a evaporar-se. A evaporação abaixa a temperatura da cabeça da ave, fazendo com que alguns dos vapores de diclorometano dentro dele se condensem. Conforme essas moléculas de vapor se aproximam, a pressão na cabeça abaixa, e isso atrai o líquido na base do brinquedo até o pescoço. O líquido flui para cima, fazendo com que a cabeça da ave se torne pesada, oscile para trás e para frente e, eventualmente mergulhe o bico na água novamente.

Em seguida, como a extremidade inferior do tubo no pescoço da ave está em uma elevação mais alta do que a superfície do líquido, isso provoca uma bolha de vapor que desloca o líquido, que flui de volta para o fundo, deslocando o peso da ave devolva a sua posição ereta. O processo, em seguida, recomeça. O pássaro continua percorrendo estas etapas desde que haja água suficiente no vidro para molhar o bico do pássaro cada vez que ele cai sobre o copo.

5 – FOGUETES MODELO

Os modelos de foguete usam os mesmos mecanismos básicos que um foguete real. Estes brinquedos fáceis de operar podem chegar a uma altitude de mais de 300 metros, deixando um rastro de fumaça pra trás, e conforme alcançam seu pico, implantam um paraquedas e voltam a Terra. Mas como eles funcionam?

É tudo sobre a ordem em que diferentes combustíveis dentro do foguete inflamam. Primeiro, a pessoa queima as luzes do foguete, um “fósforo elétrico” que é enfiado através de um bocal (1) na parte inferior (2) do motor de foguete. A partida incendeia um propulsor do foguete na câmara de combustão (3). O propelente (geralmente algum tipo de pó preto, um explosivo químico contendo carvão, enxofre e nitrato de potássio) em combustão se transforma em um gás quente – e sai do bocal. A terceira lei de Newton afirma que toda ação tem uma reação igual e oposta, assim, o disparo de gás para baixo impulsiona o foguete para o céu.

Um instante depois, a camada de combustível acima do propulsor, chamada de “carga de atraso de rastreamento” (4), inflama. Este combustível tem uma composição ligeiramente diferente do que o propulsor para torná-lo mais lento e sua queima emite mais fumaça. Essa fumaça também espalha através do bocal do foguete, permitindo que o seu operador acompanhe a subida do foguete, observando o rastro de fumaça.

Quando a carga de atraso já queimou – isso acontece assim que o propulsor do foguete também se esgotou -, momento em que o foguete atinge sua altura máxima, a carga de ejeção (5) inflama. Isso faz com que ocorra uma pequena explosão na tampa (6) do foguete, liberando um paraquedas. O foguete então flutua até o chão.

6 – ÍMÃS

O que causa o magnetismo? Jearl Walker, professor de física, explica que os campos magnéticos naturalmente irradiam a partir de partículas eletricamente carregadas que compõem os átomos – especialmente elétrons.
Normalmente na matéria, os campos magnéticos de elétrons têm direções diferentes, cancelando-se mutuamente. É por isso que os elétrons em seu corpo não fazem com que você grude na sua geladeira conforme você passa por ela.

Mas, quando os campos magnéticos de todos os elétrons em um objeto se alinham na mesma direção, como ocorre em muitos metais (e, obviamente, nos ímãs), um campo magnético é gerado. Ele exerce uma força sobre outros objetos magnéticos, ou os atrai ou os repele, dependendo da direção de seus próprios campos magnéticos.

Infelizmente, tentar entender o magnetismo em um nível mais profundo é essencialmente impossível. Embora os físicos tenham uma teoria chamada “mecânica quântica”, um corpo de equações que representa com muita precisão o comportamento das partículas (incluindo o seu magnetismo), não há maneira de entender intuitivamente o que a teoria realmente significa, pelo menos por enquanto.

Os físicos se perguntam: por que os campos magnéticos irradiam partículas, o que são campos magnéticos, e por que eles sempre se alinham entre dois pontos, dando a seus ímãs polos norte e sul? “Quando você faz um movimento de partículas carregadas, ele cria um campo magnético e dois polos. Nós realmente não sabemos o porquê. É apenas uma característica do universo, e as explicações matemáticas são apenas tentativas de obter respostas”, disse Walker.

7 – BATERIA DE BATATA

potato-battery-02

A construção de uma bateria elétrica de batata (ou limão ou maçã) revela um pouco sobre o funcionamento interno de circuitos elétricos. Para fazer esta experiência científica simples, você insere dois objetos metálicos diferentes – muitas vezes um prego galvanizado e moeda de cobre – na batata, e conecta os fios um com o outro.

Estes fios podem ser anexados em dois terminais de um multímetro (que mede a tensão de um circuito) ou a algo parecido com um relógio digital ou lâmpada. Pode ser preciso duas ou três batatas ligadas em série para gerar tensão suficiente para alimentar esses dispositivos.

A batata funciona como uma bateria, gerando uma corrente de elétrons que flui através do fio. Isso acontece porque o ácido na batata induz uma mudança química no zinco que reveste o prego. O ácido age como um “eletrólito”, ionizando os átomos de zinco ao retirar dois elétrons de cada um deles e deixá-los carregados positivamente.

Os elétrons são conduzidos para longe dos íons de zinco através do fio – e através de quaisquer dispositivos ao longo do circuito – e acabam na moeda de cobre. De lá, eles se juntam com íons de hidrogênio positivos na batata que foram repelidos pelos íons de zinco nas proximidades. O movimento desses elétrons é suficiente para alimentar um relógio de brinquedo ou lâmpada.

Fonte: http://hypescience.com/a-curiosa-fisica-de-7-de-brinquedos-classicos/

esquisadores procuram sinais de uma nova Física


Grupo do Instituto de Física da Universidade de São Paulo inicia projeto para prever os fenômenos que deverão ser observados nos experimentos do LHC a partir de 2015 (foto: Wikimedia)

Agência FAPESP – Após concluir, em dezembro, a primeira fase de grandes testes experimentais à procura de partículas elementares, o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (Cern), na Suíça, só voltará a realizar esse tipo de experimento em 2015 – quando será aumentada a intensidade dos feixes de raios de prótons e a energia no centro de massa do maior acelerador de partículas do mundo.

Durante o intervalo de dois anos, no entanto, a comunidade internacional de físicos teóricos desenvolverá uma série de modelos numéricos e simulações para prever os tipos de fenômenos que deverão ser observados experimentalmente nos detectores de partículas do LHC a partir de 2015.

Um grupo de pesquisadores do Instituto de Física (IF) da Universidade de São Paulo (USP), por exemplo, iniciou um projeto de pesquisa Temático, com apoio da FAPESP, para procurar, na nova rodada de experimentos do LHC, sinais de uma nova Física, além do chamado “Modelo Padrão” – teoria construída nos últimos 50 anos que descreve as interações forte, fraca e eletromagnética das partículas fundamentais que constituem toda a matéria.

“Os próximos dois anos serão muitos intensos, tanto na teoria como na simulação, para que em 2015, quando o LHC retomar os experimentos com prótons com maior intensidade e energia, nós já tenhamos nossas previsões concluídas, de modo que os físicos experimentais possam procurar pela nova Física além do Modelo Padrão”, disse Gustavo Alberto Burdman, professor do IF e coordenador do projeto, à Agência FAPESP.

Burdman foi um dos palestrantes da Conferência USP sobre Cosmologia, Estruturas de Larga Escala e Primeiros Objetos, realizada nos dias 4 a 7 de fevereiro, em São Paulo.

De acordo com o pesquisador, com o achado no Cern, no início de julho, do bóson de Higgs (partícula subatômica hipotética, postulada em 1964 pelo físico britânico Peter Higgs), se presumiu que o Modelo Padrão da física de partículas teria sido completamente validado.

A teoria do Modelo Padrão e do próprio bóson de Higgs apresentam, contudo, lacunas, segundo Burdman, que levam os físicos teóricos e experimentais a considerar a possibilidade de que exista Física além dela.

“O fato de o bóson de Higgs ter severos problemas de estabilidade e o Modelo Padrão não incluir determinadas partículas que observamos nos levam a acreditar que existe uma nova Física na escala que está sendo estudada pelo LHC”, disse Burdman.

“O aumento da intensidade dos feixes de raios de prótons e da energia nos testes que serão realizados a partir de 2015 no colisor vão nos permitir procurar por essa Física além do Modelo Padrão”, afirmou.

Matéria escura

Ao longo do projeto de pesquisa temático, Burdman e os pesquisadores do IF Renata Funchal e Oscar José Pinto Eboli construirão teorias e simulações que preveem a existência de algumas partículas não descritas no Modelo Padrão. Uma delas é a matéria escura.

Responsável por cerca de 30% da densidade de energia do Universo, a partícula, que recebeu o nome de “escura” por não emitir luz, não está no “radar” do Modelo Padrão de física de partículas.

“O Modelo Padrão não contém nenhum tipo de partícula que pode ser a matéria escura. Por isso, precisamos construir teorias para explicar os problemas apresentados pelo Modelo Padrão relacionados com a matéria escura”, afirmou Burdman.

Uma das principais questões a serem respondidas sobre a partícula, de acordo com o pesquisador, é o que ela realmente é. O que se sabe é que a matéria escura não é composta por partículas que interagem eletromagneticamente, como nêutrons e prótons, detectáveis pelos instrumentos de medição convencionais.

“Nós não fazemos a menor ideia do que seja a matéria escura. Por isso, precisamos estender o Modelo Padrão para termos modelos teóricos que a prevejam”, avaliou Burdman.

Teoria como guia

De acordo com o pesquisador, o que se observa nos testes experimentais com prótons realizados no LHC são sinais de partículas existentes no Modelo Padrão.

Já os sinais de partículas que os modelos construídos pelos físicos teóricos indicam que podem ser produzidas na escala dos experimentos realizados no colisor do Cern – como o bóson de Higgs e a matéria escura – são, no entanto, instáveis em sua maioria e decaem (se dividem) imediatamente após serem produzidos em partículas estáveis observadas nos experimentos. Além disso, estão escondidas por baixo de diversos ruídos produzidos pelo Modelo Padrão, o que impede que sejam visualizadas.

De modo a orientar como os sinais dessas novas partículas podem ser extraídos dos experimentos, os modelos de identidade de física de partículas e as simulações realizadas pelos físicos teóricos devem indicar quais partículas fora do Modelo Padrão podem ser detectadas nas colisões, em quais partículas irão decair, com qual probabilidade e em que direção, entre outras informações.

“Para procurar alguma partícula específica no tipo de experimentos realizados no LHC, é preciso ter uma guia para saber onde e como procurar. E essa guia é a teoria”, explicou Burdman.

Uma vez identificados nos experimentos os sinais e o seu padrão – como a frequência com que ocorrem –, os físicos teóricos reconstroem seus modelos, de modo a certificar se os fenômenos realmente são observados nos experimentos e se vão além do Modelo Padrão.

“Nós, físicos teóricos, falamos o que deve ser procurado nos experimentos e, por sua vez, os experimentais nos dizem o que é observado para que possamos ajustar nossas teorias”, disse Burdman.

“Foi com base nesse diálogo entre os físicos teóricos e os experimentais que o Modelo Padrão de física de partículas foi construído ao longo dos últimos 50 anos e esperamos repeti-lo agora na procura da Física além do Modelo Padrão”, avaliou.

Atualização do cluster de computadores

Para testar e traduzir os modelos desenvolvidos pelos físicos teóricos em previsões com altos níveis de detalhes dos eventos que podem ser observados experimentalmente nos detectores do LHC, é necessário o uso de ferramentas computacionais de alto desempenho para realizar simulações numéricas, explicou Burdman.

As simulações realizadas pelo grupo de pesquisadores do IF da USP – tanto para o LHC como para experimentos com neutrinos (partícula subatômica sem carga elétrica) e matéria escura – são feitas em um cluster de computadores localizado no Departamento de Física Matemática.

O parque de processamento, no entanto, é antigo e deverá ser atualizado por meio do projeto de pesquisa temático realizado com apoio da FAPESP. “O projeto temático deverá nos dar um grande poder de realizar simulações computacionais compatíveis tanto com os primeiros dados do LHC, que começaram a ser divulgados agora, como os que serão gerados a partir de 2015, com as colisões de altas energias”, estimou Burdman.

Dados de mais alta energia

Na primeira fase de testes com prótons, iniciada em 2010, o LHC obteve dados sobre colisões de prótons a uma energia de 8 TeV, em vez de 14 TeV no centro de massa, como previsto inicialmente.

Por causa disso, na avaliação de Burdman, o acelerador de partículas de mais alta energia existente no mundo só começou a realizar agora, de fato, o trabalho para o qual foi concebido.

“O novo estágio do LHC, com maior energia e intensidade do feixe de prótons, permitirá testar tanto partículas com massas maiores do que prevíamos, como também medir com maior precisão as interações do bóson de Higgs com outras partículas conhecidas”, disse Burdman.

Por enquanto, de acordo com o pesquisador, o que se sabe é que há fortes indicações de que a partícula detectada no Cern, em julho, é o bóson de Higgs postulado pelo Modelo Padrão.

Como os dados ainda são muito preliminares, no entanto, as medições das interações da partícula com outras já conhecidas apresentam margens de erro muito grandes, de acordo com o pesquisador.

“Ainda há muito espaço para que as interações do bóson de Higgs sejam não padrão, o que sinalizaria uma nova Física. Mas, para comprovar isso, é necessário realizar medições com maior precisão, como as que o LHC deve possibilitar na próxima rodada de testes experimentais”, indicou.

“Nossa expectativa é que algumas das teorias que desenvolveremos, ou alguma outra que não pensamos, possa ser construída a partir dos dados gerados pelo LHC nos próximos anos”, afirmou.

Fonte: http://agencia.fapesp.br/17001

Câmera digital mais poderosa do mundo registra primeiras imagens


Com 570 megapixels, equipamento ajudará a entender a energia escura

Agência FAPESP – Cientistas da colaboração Dark Energy Survey (DES) – Pesquisa da Energia Escura – acabam de anunciar que a DECam, câmera de 570 megapixels construída nos últimos oito anos por cientistas, engenheiros e técnicos em três continentes, obteve sua “primeira luz”.

O levantamento DES, integrado por institutos de pesquisa e universidades dos Estados Unidos, Brasil, Reino Unido, Alemanha e Espanha, ajudará a entender por que o universo se encontra em expansão acelerada, em vez de estar desacelerando, como seria de se supor, por conta da gravidade. A resposta está na energia escura, um dos maiores mistérios da física atual.

A DECam é a câmera mais poderosa já construída, capaz de registrar a luz de 100 mil galáxias situadas até uma distância de 8 bilhões de anos-luz em cada imagem coletada.

O equipamento possui uma matriz com 62 CCDs com sensibilidade sem precedentes na região vermelha do espectro eletromagnético, que juntamente com o telescópio Blanco, com espelho coletor de 4 metros de diâmetro, que está localizado no Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), no Chile, permitirá estudar desde asteroides do sistema solar até compreender a origem e o destino do Universo.

Os cientistas da colaboração DES usarão esta câmera para o maior levantamento de galáxias jamais feito. Os dados serão usados para sondar os efeitos da energia escura por meio de estudos de aglomerados de galáxias, supernovas, estruturas em grande escala das galáxias e do efeito de lentes gravitacionais fracas. Será a primeira vez que um experimento poderá utilizar esses quatro métodos.

O levantamento começa em dezembro, após todos os testes da DECam. Por cinco anos, o DES vai produzir imagens detalhadas em cores de um oitavo do céu para descobrir e medir 300 milhões de galáxias, 100 mil aglomerados de galáxias e 4 mil supernovas, entre outros.

O Brasil participa do DES por intermédio do Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA), sediado no Observatório Nacional (ON), no Rio de Janeiro, que foi criado para dar apoio em projetos de levantamentos de grande porte, como o DES.

Pesquisadores do Estado de São Paulo também participam da colaboração por meio de projetos de pesquisa realizados com apoio da FAPESP.

“As características de um levantamento desse porte exigem recursos computacionais e infraestrutura de armazenamento, processamento e distribuição de dados que não podem ser replicados nas instituições dos participantes”, disse Luiz Nicolaci, coordenador do DES-Brasil e idealizador do LIneA.

Após o período de tempo de propriedade exclusiva da colaboração, os dados do levantamento serão disponibilizados para a toda a comunidade científica, e o Centro de Dados do LIneA será um dos pontos de sua distribuição.

“Além de um portal científico para análise dos dados do DES, somos responsáveis por prover osoftware que faz a redução das imagens obtidas pela DECam, a ser utilizado junto ao telescópio no momento da obtenção dessas imagens”, afirmou Nicolaci.

Mais informações: des-brazil.linea.gov.br/.

Fonte: http://agencia.fapesp.br/16213

Abrindo a Terra


Físicos detalham as estruturas e as transformações de minerais em regiões profundas do interior do planeta

CARLOS FIORAVANTI | Edição 198 – Agosto de 2012

Chegar à Lua, a quase 400 mil quilômetros de distância, ou mandar satélites para conhecer outros planetas pode parecer mais fácil do que conhecer a composição e o funcionamento do interior da Terra, uma esfera quase perfeita com 12 mil quilômetros (km) de diâmetro. Os furos de sondagem chegaram a apenas 12 km de profundidade, mal vencendo a crosta, a camada mais superficial. Como não podem examinar diretamente o interior do planeta, os cientistas estão se valendo de simulações em computador para entender como se forma e se transforma a massa sólida de minerais das camadas mais profundas do interior do planeta quando submetida a pressões e temperaturas centenas de vezes mais altas que as da superfície. Como resultado, estão identificando minerais que se formam a milhares de quilômetros da superfície e reconhecendo a possibilidade de existir um volume de água superior a um oceano disperso na espessa massa de rochas sob nossos pés.A física brasileira RenataWentzcovitch, pesquisadora da Universidade de Minnesota, Estados Unidos, é responsável por descobertas fundamentais sobre o interior do planeta empregando, justamente, técnicas matemáticas e computacionais que desenvolve desde 1990. Em 1993, ela elucidou a estrutura atômica da perovskita a altas pressões; a perovskita é o mineral mais abundante no manto inferior, a camada mais ampla do interior do planeta, com uma espessura de 2.200 km, bem menos conhecida que as camadas mais externas (ver infográfico a seguir sobre as camadas do interior da Terra).

Em 2004 Renata, com sua equipe, identificou a pós-perovskita, mineral que resulta da transformação da perovskita submetida a pressões e temperaturas centenas de vezes mais altas que as da superfície, como nas regiões mais profundas do manto. Os resultados ajudaram a explicar as velocidades das ondas sísmicas, geradas pelos terremotos, que variam de acordo com as propriedades dos materiais que atravessam e representam um dos meios mais utilizados para entender a composição do interior da Terra. Agora novos estudos de Renata indicaram que a pós-perovskita tende a se dissociar em óxidos elementares, como óxido de magnésio e óxido de silício, à medida que a pressão e a temperatura aumentam ainda mais, como no interior dos planetas gigantes, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.

“Estamos com a faca e o queijo na mão para descobrir a constituição e as diferenças de composição do interior de planetas”, diz. Segundo ela, as técnicas que desenvolveu podem prever o comportamento de estruturas cristalinas complexas, formadas por mais de 150 átomos. “Ao longo do manto terrestre, as estruturas cristalinas dos minerais são diferentes, mas a composição química das camadas do interior da Terra parece ser uniforme.”

Por meio de trabalhos como os de seu grupo agora se começa a ver melhor como os minerais do interior da Terra tendem a perder elasticidade e se tornarem mais densos quando submetidos a alta pressão e temperatura, que aumentam com a profundidade. Em razão do aumento da pressão é que se acredita que a densidade do centro da Terra – formado por uma massa sólida de ferro a temperatura próxima a 6.000 graus Celsius (ºC) – seja de quase 13 gramas por centímetro cúbico, quatro vezes maior que a da superfície, indicando que em um mesmo volume cabem quatro vezes mais átomos.Sem direito à ficção e apegados a métodos rigorosos como a análise dos resultados de cálculos teóricos, de experimentos em laboratório, de levantamentos geológicos e da velocidade das ondas sísmicas, físicos, geofísicos, geólogos e geoquímicos estão abrindo o planeta e ampliando o conhecimento sobre as regiões de massa rochosa compacta abaixo do limite de 600 km, que marca uma região mais densa do manto, a chamada zona de transição, a partir da qual se conhecia muito pouco. Os especialistas acreditam que poderão entender melhor – e talvez um dia prever – os terremotos e os tsunamis, além de identificar jazidas minerais mais facilmente do que hoje, se conseguirem detalhar a composição e os fenômenos das regiões inacessíveis do interior do planeta.

Oceanos submersos
Mesmo das camadas mais externas estão emergindo novidades, que desfazem a antiga imagem do interior do planeta como uma sequência de camadas regulares como as de uma cebola. Em 2003, por meio de levantamentos mundiais detalhados, pesquisadores dos Estados Unidos começaram a ver irregularidades da crosta, cuja espessura varia de 20 a 68 km, deixando as regiões mais finas mais sujeitas a terremotos e as mais espessas, a colapsos.

“Começamos a ver a interação da crosta e a região mais superficial do manto”, comentou o geofísico Walter Mooney, do Serviço Geológico dos Estados Unidos, noFrontiers in Earth Science, encontro realizado no início de julho na Universidade de São Paulo (USP). Os geofísicos dos Estados Unidos estão reexaminando as possíveis consequências de dois fenômenos que ocorrem com a crosta. O primeiro é o mergulho das placas tectônicas – pedaços móveis e rígidos da litosfera, a camada superficial que inclui a região mais externa do manto – em regiões mais profundas do manto, ampliando o risco de tremores de terra nas regiões onde ocorrem. Os dados reiteram as conclusões de um estudo recente coordenado por Marcelo Assumpção, professor do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da USP. Físico de formação, Assumpção, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Brasília, verificou que os tremores de terra no Brasil ocorrem com maior frequência em regiões onde a crosta e a litosfera são mais finas, portanto mais frágeis.

A entrada de água na litosfera, abaixo da crosta, é outro fenômeno que está sendo delineado. É intrigante porque a água não poderia ser armazenada na crosta inferior por causa da pressão exercida pelas camadas de rochas e da temperatura de cerca de 205ºC; portanto, evaporaria rapidamente. Na verdade, o que existe no interior da Terra não é exatamente água, mas os componentes da molécula de água, hidrogênio e oxigênio, ligados à estrutura cristalina dos minerais na forma de H2O ou OH.

Mooney e sua equipe detectaram uma intensa intromissão aquática em regiões dos Andes onde a crosta atinge 65 km de espessura, mas não souberam explicar a razão desse fenômeno. “Onde essa água está armazenada? Qual o volume?”, questionou-se, diante dos colegas de vários países que compareceram à reunião científica na USP. Talvez, ele comentou, a água venha das placas tectônicas que afundam ou se afastam. Os especialistas viram que a litosfera sem água é geologicamente mais antiga, enquanto a hidratada é mais recente, indicando que a hidratação poderia contribuir para a formação ou transformação das camadas mais externas ou mesmo do manto mais profundo, próximo ao núcleo.Moléculas de água são importantes porque, “mesmo em proporções ínfimas, de 0,1%, podem mudar a viscosidade dos materiais, e portanto a visão sobre a circulação de matéria e energia no interior da Terra”, comenta o físico João Francisco Justo Filho, professor da Escola Politécnica da USP que trabalha com Renata Wentzcovitch desde 2007. “Uma grande quantidade de água pode estar escondida no manto inferior em minerais”, afirma o geoquímico Francis Albarède, da Escola Normal Superior de Lyon, França. “Talvez o equivalente a um oceano inteiro.” Ou mais, “talvez vários oceanos”, cogita Renata. Por meio de cálculos computacionais, ela começou a examinar as possibilidades de dois átomos de hidrogênio substituírem o magnésio ligado ao oxigênio e formarem unidades de H2O. “Quanto mais procuramos, mais encontramos defeitos nas estruturas cristalinas, onde o hidrogênio poderia entrar”, diz ela. O problema é que não se sabe quanto hidrogênio pode estar armazenado no manto.

Mais abaixo, as incertezas aumentam, diante da impossibilidade de medir com precisão o que se passa a 6.000 km de profundidade. Ainda se conhece pouco sobre a composição do núcleo terrestre, tão denso a ponto de concentrar 30% da massa do planeta em duas regiões, uma externa, líquida, e outra interna, sólida, onde a temperatura pode ir além de 6.000 oC. Uma equipe da University College London usou a mesma abordagem conceitual que o grupo de Minnesota, a teoria funcional de densidade, para estimar a intensidade do fluxo de calor que vem da região limítrofe entre o núcleo e o manto, a partir da quantidade de ferro, oxigênio e enxofre e silício sugerida pelas velocidades de ondas sísmicas que atravessam o núcleo e pelo fluxo de calor do manto inferior. Os resultados, publicados em maio na Nature, indicaram que o fluxo de calor que emana do núcleo deve ser duas a três vezes maior que o previamente estimado. Para onde foi ou vai essa energia, nem imaginam.

Minerais em decomposição
Muitos estudos em andamento se concentram no manto, uma espessa camada sólida, levemente flexível, que se deforma muito lentamente, como o piche. A não ser nas raras ocasiões em que o magma emerge por meio dos vulcões, trazendo material do manto, os estudos são feitos de modo indireto, por meio do monitoramento da velocidade das ondas sísmicas, e é difícil saber diretamente o que se passa no manto. Os japoneses querem ir além do recorde de 12 km já perfurados e chegar ao manto usando um navio com uma sonda semelhante à de um petroleiro. A missão, anunciada em julho na revista New Scientist, não será simples: os materiais das brocas a serem usadas para perfurar a crosta e chegar ao manto devem resistir a pressões 2 mil vezes maior que a da superfície e temperaturas próximas a 900ºC, uma tarefa similar ao plano de extrair petróleo da camada de pré-sal do litoral paulista.

“Eu cozinho rochas, para entender como se formaram”, diz o geólogo Guilherme Mallmann, pesquisador do Instituto de Geociências da USP, que adotou outro método para conhecer melhor o interior do planeta. Em laboratório, ele submete os componentes químicos que constituem os minerais a altas pressões e temperaturas. Fornos e prensas como os que ele usa, porém, só permitem reproduzir fenômenos que se passam a até 150 km de profundidade, a região do manto superior em que se formam o magma, que às vezes emerge por meio dos vulcões. As condições de pressão mais profundas do interior da Terra também podem ser alcançadas experimentalmente, segundo ele, mas é muito mais difícil. Como pressão é o resultado da força sobre uma área, o volume de material analisado teria de ser reduzido bastante para se alcançar essas pressões altíssimas. “Construir prensas maiores é muitas vezes inviável.”A perovskita, assim chamada em homenagem ao mineralogista russo Lev Perovski, forma-se em ambientes sob pressões e temperaturas elevadas, que no manto inferior podem variar de 23 a 135 gigapascal (1 gigapascal é cerca de 10 mil vezes maior que a pressão na superfície terrestre) e 2.000ºC a 4.000ºC. Renata apresentou a estrutura cristalina desse mineral – um silicato de magnésio e ferro – em 1993 na revistaPhysical Review Letters por meio de losangos verdes e amarelos, lembrando a bandeira brasileira. A razão era simples: “Saudade”, diz a pesquisadora, que mora nas cidades gêmeas Mineápolis-Saint Paul, com 2,5 milhões de habitantes, próximo à fronteira com o Canadá, onde a temperatura no inverno pode se manter em 20ºC negativos durante semanas.

Em colaboração com físicos da Itália e do Brasil, Renata verificou que os átomos de ferro de um mineral chamado ferropericlásio, o segundo mais abundante no manto inferior, perdem uma de suas propriedades mais marcantes, o magnetismo, desse modo explicando um fenômeno que havia sido observado em laboratório. Em 2007 João Justo trabalhou em Minnesota com Renata e desenvolveram uma série de equações que estabelecem a mudança de propriedades elásticas e velocidades sísmicas durante a surpreendente perda de magnetismo do ferro resultante do aumento da pressão no mineral ferropericlásio.

“O tamanho do átomo de ferro diminui quando perde o momento magnético e desse modo torna o ferropericlásio mais denso. Além disso, minerais com ferro amolecem durante o processo lento de densificação, como já havia sido observado em laboratório, mas ainda não havia sido explicado”, diz Justo. É um fenômeno surpreendente porque o normal é o material endurecer quando se torna mais denso.

Os resultados a que ele e Renata chegaram foram publicados em 2009 na revista PNASe explicaram a perda de magnetismo sob pressão e temperatura equivalentes às do manto inferior, que James Badro, das universidades de Paris 6 e 7, havia detectado em laboratório e relatado na Science em 2003 e 2004. A verificação experimental desse fenômeno, uma das grandes descobertas da geofísica dos últimos anos, indicou que a proporção de ferro não magnético pode aumentar com a profundidade e, além disso, que as camadas mais profundas do manto inferior podem ser ainda mais densas que as menos profundas.

A jornada
Quando era pré-adolescente, Renata gostava de fazer os testes de matemática que seu avô Adolfo Foffano lhe passava todos os dias em que estavam juntos, nas férias de final de ano em Sumaré, interior paulista. Ela estudou física na Universidade da São Paulo e chegou à Berkeley, nos Estados Unidos, em 1983, por recomendação de José Roberto Leite e Cylon Gonçalves da Silva.A jornada de Renata incluiu uma temporada em Cambridge e em Londres, de 1990 a 1992, depois de ela ter ampliado as possibilidades de uso de suas técnicas de simulações de materiais. Suas novas técnicas eram tão gerais que serviam para estudar o movimento atômico e as transformações de estrutura cristalina a altas pressões e temperaturas. Para isso, ela usou o chamado cálculo de primeiros princípios, baseado na teoria funcional de densidade, cuja essência é simples: a energia total de um conjunto de elétrons em seu estado de equilíbrio depende da densidade total de elétrons.

Depois de muito trabalho, deu certo. “Em menos de um mês, com minhas técnicas, resolvi a estrutura do silicato de magnésio a alta pressão, em que os pesquisadores de Cambridge trabalhavam havia dois anos”, diz ela. Resolver uma estrutura, ela explica, “significa identificar a posição de equilíbrio e os graus de liberdade de uma estrutura cristalina com certa simetria que minimizam a energia interna”. Até então podiam-se determinar facilmente apenas estruturas como a do diamante, formada por dois átomos na base e um grau de liberdade, que se reflete na distância entre os átomos de carbono. A estrutura da perovskita tem 20 átomos de silício, magnésio e oxigênio e 10 graus de liberdade, “é muito mais complexa que a estrutura dos semicondutores e por isso o seu comportamento a altas pressões era até então desconhecido”, diz ela.

No início, um de seus problemas era que não podia conferir experimentalmente suas previsões teóricas. Mas, em 2003, trabalhando com pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Renata e sua equipe de Minnesota analisaram o espectro de raios X que diferiam muito dos esperados a pressões muito altas.  Eles concluí-ram que havia ocorrido uma transformação de fase – ou mudança de estrutura cristalina – para uma estrutura desconhecida. “No início não acreditei”, diz ela, “porque a perovskita parecia tão estável!” No ano seguinte, um artigo na Science apresentou a nova estrutura cristalina e lançou a pós-perovskita, hoje reconhecida como o material mais abundante na região do manto conhecida como D’’, em contato com a camada mais externa do núcleo da Terra. “A pós-perovskita explica muitas características geofísicas dessa região da Terra”, observou Mallmann, da USP.

A pós-perovskita tem uma estrutura em camadas, através das quais viajam as ondas sísmicas, em velocidades que dependem da direção inicial. Esse trabalho reforçou a conclusão de outros estudos, que haviam indicado que esse mineral poderia se formar em diferentes profundidades do manto inferior.

O Projeto
Simulação e modelagem de minerais a altas pressões – nº 09/14082-3
Modalidade
Projeto Temático
Coordenador
João Francisco Justo Filho – USP
Investimento
R$ 184.378,73

No relato publicado na Science em 24 de março de 2004, o físico Surendra Saxena, da Universidade Internacional da Flórida, Estados Unidos, contestou as conclusões, disse que ainda acreditava que a perovskita se decompõe apenas nas regiões do manto mais próximas do núcleo e lembrou que a teoria ainda não era perfeita, mas estudos subsequentes sobre a propagação de ondas sísmicas parecem confirmar a presença da pós-perovskita na região D’’. “Temos tido muita sorte”, comentou Renata. “Os resultados de cálculos computacionais de velocidades na pós-perovskita são surpreendentes, pois reproduzem muitas observações sismológicas da região D”, até então inexplicáveis. Não dever ser simples coincidência.”

Foi também em 2004, quando esse trabalho começou a circular, que Renata recebeu um financiamento de US$ 3 milhões da National Science Foundation, dos Estados Unidos, para montar o Laboratório Virtual de Materiais Planetários e Terrestres (VLab) no Instituto de Supercomputação da Universidade de Minnesota. O VLab reuniu químicos, físicos, cientistas da computação, geofísicos e matemáticos que, motivados pela possível existência da pós-perovskita em outros planetas, começaram a ver as prováveis transformações que os minerais poderiam sofrer no interior dos planetas gigantes do sistema solar – Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, com massa pelo menos 10 vezes maior que a da Terra, sob pressões e temperaturas ainda mais altas.

Os resultados de seu grupo, como os detalhados na Science em 2006, apresentando as prováveis transformações do silicato de magnésio nos planetas gigantes mais próximos da Terra, indicaram que essas técnicas de cálculo podem ser úteis para estudar a evolução de planetas. “Os padrões de comportamento dos minerais em planetas diversos não podem ser só coincidência”, ela comentou, diante da plateia que a ouvia atentamente durante o seminário na USP.

As simulações do comportamento de materiais em altas profundidades e os estudos experimentais, principalmente quando se casam, ajudam a elucidar os fenômenos do interior da Terra. Em julho, pesquisadores franceses anunciaram que conseguiram recriar em laboratório as condições ambientais do limite do núcleo externo com o manto inferior. Eles mostraram, por meio de análises de raios X, que as rochas parcialmente derretidas quando submetidas a alta temperatura e pressão podem se mover em direção à superfície da Terra, originando ilhas vulcânicas como as do Havaí.

Uma Terra mais real
As novas informações sobre o interior do planeta alimentam o trabalho de grupos brasileiros de pesquisa em geofísica básica, focados no exame da Terra em grande escala, em São Paulo, Rio de Janeiro, Rio Grande do Norte e Distrito Federal. De modo mais amplo, beneficiam as equipes de geofísica aplicada, que trabalham com petróleo, mineração e água subterrânea, da Bahia, Pará, Rio, São Paulo, Rio Grande do Norte, Distrito Federal e Rio Grande do Sul.

Vistos em conjunto, os resultados ajudam a construir uma imagem mais sólida da Terra, já representada de muitos modos nos últimos séculos. O conhecimento sobre a estrutura e o interior da Terra avançou bastante desde 1912, quando o geofísico alemão Alfred Wegener concluiu que a Terra deveria ser formada por placas rígidas que se movem, e se distancia cada vez mais das imagens poéticas da Viagem ao centro da Terra, a magnífica obra do escritor francês Júlio Verne, publicada em 1864. “Hoje sabemos que o interior da Terra, diferentemente do que Júlio Verne escreveu”, assegura Justo, “é absolutamente misterioso e certamente inabitável”. Nem por isso, diz Assumpção, nosso planeta deixa de ser fascinante.

Artigos científicos
WENTZCOVITCH, R.M. et alAb initio molecular dynamics with variable cell shape: Application to MgSiO3Physical Review Letters. v. 70, p. 3.947-50. 1993.
TSUCHIYA, T. et alPhase transition in MgSiO3 perovskite in the earth’s lower mantle.Earth and Planetary Science Letters. v. 224, n. 3-4, p. 241. 2004.
WENTZCOVITCH, R.M. et alAnomalous compressibility of ferropericlase throughout the iron spin crossoverPNAS. v. 106, p. 8.447-52. 2009.

Fonte: http://revistapesquisa.fapesp.br/2012/08/10/abrindo-a-terra/