Matéria em Movimento: A Mudança da Gravidade da Terra
Por Laura Naranjo
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De acordo com a lenda, Isaac Newton descobriu a gravidade depois de ver uma maçã cair de uma árvore. Usando a palavra “gravitas” (latim para “peso”), ele descreveu a força fundamental que mantém os objetos ancorados na Terra. Desde então, os cientistas têm usado mapas da gravidade da Terra para projetar sistemas de drenagem, traçar redes de estradas, e pesquisar superfícies terrestres. Mas Newton provavelmente não imaginava que a gravidade pudesse revelar novas informações sobre o ciclo hidrológico global.
Tradicionalmente, os cientistas construíram mapas de gravidade usando uma combinação de medições de terra, registros de navios e, mais recentemente, a detecção remota. No entanto, essas medições não eram suficientemente precisas para capturar as pequenas mudanças no movimento da água que causam a variação da gravidade ao longo do tempo. Com a ajuda de uma nova missão satélite, os cientistas agora podem pesar a água enquanto ela circula ao redor do globo e relacionar essas medições com as mudanças no nível do mar, umidade do solo e camadas de gelo.
Para avaliar melhor essas variações da gravidade, uma equipe internacional de engenheiros e cientistas desenvolveu a missão Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Lançada em março de 2002 como uma joint venture entre a NASA e o Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt (Centro Aeroespacial Alemão), a missão foi implementada através da colaboração entre o Centro de Pesquisa Espacial da Universidade do Texas, o GeoforschungZentrum (Centro Nacional de Pesquisa para Geociências da Alemanha), e o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL).
Mediante a medição das mudanças na distância entre o satélite líder da GRACEmission e o satélite de rastreamento, os cientistas podem determinar as variações da gravidade da Terra. (Imagem cortesia da NASA Jet PropulsionLaboratory)
GRACE depende de dois satélites idênticos, cada um com aproximadamente o tamanho de um carro. Como os satélites voam a cerca de 220 quilômetros de distância, um seguindo o outro, um sistema de microondas monitoriza a distância entre eles até um mícron – menor do que um glóbulo vermelho. Os cientistas podem mapear a gravidade em qualquer lugar da superfície terrestre medindo pequenas mudanças na distância entre os dois satélites à medida que cada um deles acelera e diminui em resposta à força gravitacional.
Arquivado no Centro de Arquivos Ativos Distribuídos de Oceanografia Física da NASA (PO.DAAC) em Pasadena, Califórnia, e no GeoForschungZentrum Information System and Data Center (GFZ/ISDC), os dados do GRACE estão mudando a maneira como os cientistas e modeladores vêem a gravidade. O GRACE fornece mapas mensais que são pelo menos 100 vezes mais precisos do que os mapas anteriores para detalhar as mudanças no campo gravitacional da Terra. “A ideia clássica de que a gravidade é algo que se mede uma vez já não é aceite. A gravidade é um elemento que os cientistas devem continuar a monitorar”, disse Byron Tapley, diretor do Centro de Pesquisa Espacial e principal investigador da missão GRACE.
Porque os cientistas não podem ver, sentir ou observar diretamente as forças gravitacionais, eles mapeiam a gravidade da Terra usando um modelo matemático que descreve uma superfície esférica imaginária chamada geóide. O geóide representa os oceanos como superfícies lisas e contínuas não afetadas por marés, ventos ou correntes. Ele cria uma superfície localmente horizontal contra a qual os cientistas podem medir a força da gravidade para baixo.
Gravidade é determinada pela quantidade de massa que um determinado material tem, então quanto mais massa um objeto tem, mais forte é a sua força gravitacional. Por exemplo, o granito é um material muito denso com um alto nível de massa, então ele exercerá um puxão maior do que o mesmo volume de um material menos denso, como a água. A massa da Terra é distribuída entre vários tipos de relevo e características – como cadeias de montanhas, oceanos e trincheiras de mar profundo – que têm todos massa diferente, o que cria um campo gravitacional desigual.
Este mapa, criado usando dados da missão Gravity Recovery andClimate Experiment (GRACE), revela variações no campo gravitacional da Terra. Áreas azuis escuras mostram áreas com gravidade inferior à normal, como o Oceano Índico (extrema direita da imagem) e a bacia hidrográfica do Congo na África. As áreas escuras vermelhas indicam áreas com gravidade superior à normal. O longo bumpprotruding vermelho do lado esquerdo inferior da imagem indica as montanhas dos Andes na América do Sul, enquanto o bump vermelho no lado direito superior da imagem indica as montanhas dos Himalaias na Ásia. (Imagem preparada pelo Centro de Pesquisas Espaciais da Universidade do Texas como parte de um esforço colaborativo de análise de dados com o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA e o GeoForschungsZentrum emotsdam, Alemanha)
Consequentemente, o geóide não forma uma esfera perfeita, e em mapas baseados no geóide, o campo gravitacional da Terra exibe protuberâncias e depressões. “Porque a distribuição dos materiais no interior da Terra varia, o seu campo gravitacional tem colinas e vales. O oceano tenta se estender ao longo dessa superfície montanhosa”, disse Michael Watkins, cientista do projeto GRACE no JPL. Por exemplo, a superfície do oceano na ponta da Índia é cerca de 200 metros mais próxima do núcleo da Terra do que a superfície do oceano perto de Bornéu. Sem marés, correntes e vento, a superfície oceânica seguiria as colinas e vales do geóide, refletindo as variações na força gravitacional da Terra.
“O campo gravitacional da Terra muda de um mês para o outro, principalmente devido à massa de água que se move na superfície”, disse Watkins. “Porque a água em todas as suas formas tem massa e peso, nós podemos realmente pesar o oceano movendo-se em torno. Podemos pesar a chuva, e podemos pesar as mudanças nas calotas polares”
Este diagrama ilustra o ciclo hidrológico e mostra como a água circula sobre, por baixo e acima da superfície da Terra. Os dados da GRACE podem levar à identificação de novas fontes de água doce em regiões áridas da Terra. (Imagem cortesia da NASA Goddard Space Flight Center)
GRACE observa o ciclo hidrológico da Terra e permite aos cientistas rastrear a água enquanto ela evapora para a atmosfera, cai em terra sob a forma de chuva ou neve, ou escorre para o oceano. “Os maiores eventos hidrológicos de água doce que a GRACE detecta são o escoamento das chuvas nas bacias hidrográficas maiores, como a Amazônia, e o ciclo das monções na Índia”, disse Tapley.
Detectar quanta água está entrando nos oceanos é a chave para aprender sobre as mudanças no nível do mar. Outros instrumentos de sensoriamento remoto podem observar mudanças no nível do mar, mas eles não podem discriminar entre expansão térmica (quando a água mais quente se expande) e massa adicional na forma de água sendo adicionada ao oceano. “A GRACE é sensível apenas à parte da mudança do nível do mar que se deve à adição de massa de água”, disse Don Chambers, cientista pesquisador do Centro de Pesquisas Espaciais. A maioria dos modelos assume que a massa total do oceano é constante – que não há água sendo adicionada ou retirada”. Com as medições do GRACE, os modelistas terão que levar em conta as flutuações de massa”
Desenvolver um relato mais preciso das mudanças no nível do mar é importante para países de baixa altitude, como Tuvalu. Situado no Oceano Pacífico entre o Havaí e a Austrália, o país é uma combinação de nove ilhas e atóis (ilhas de corais em forma de anéis que circundam uma lagoa). Mas como as ilhas atingem apenas 5 metros acima do nível do mar no seu ponto mais alto, são vulneráveis à subida dos oceanos. Os dados da GRACE podem revelar tendências climáticas a longo prazo que podem afectar as alterações do nível do mar.
Além de medir as alterações da massa de água na superfície da Terra, a GRACE pode detectar alterações de humidade em grande escala no subsolo. Por exemplo, durante ondas de calor recorde na Rússia em 2002 e na Europa em 2003, os dados da GRACE permitiram aos cientistas medir a quantidade de umidade que evaporou do solo durante aqueles períodos muito secos. Esta capacidade também alertará os hidrólogos para mudanças nos aquíferos e no abastecimento de água subterrânea. “É muito difícil medir a profundidade da água no solo e quanto ela muda de um ano para o outro”. A GRACE é uma das poucas ferramentas que temos para fazer isso”, disse Watkins. “Ela pode nos ajudar a entender a hidrologia local, evapotranspiração, precipitação e escoamento dos rios, e pode nos dar uma idéia de quanta água está disponível nas profundezas da Terra para irrigação e agricultura”, disse Watkins.
Como muitos atóis no Oceano Pacífico, o Aitutaki nas Ilhas CookIslands se eleva apenas alguns metros acima do nível do mar. Várias nações insulares, como Tuvalu no Oceano Pacífico e as Maldivas no Oceano Índico, são compostas inteiramente de ilhas e atóis baixos, tornando-os especialmente vulneráveis à elevação do nível do mar. (Imagem cortesia de Laurie J. Schmidt)
Os cientistas também estão usando dados da GRACE para pesquisar água congelada na forma de camadas de gelo e grandes glaciares. Isabella Velicogna, uma cientista pesquisadora da Universidade do Colorado, estuda mudanças em massa na camada de gelo da Gronelândia. “Alguns componentes do ciclo sazonal na Gronelândia não são muito bem compreendidos, como descarga de gelo e hidrologia subglacial. A GRACE vê alguns desses componentes que são difíceis de medir”, disse ela. Outros instrumentos, como altímetros, podem determinar mudanças de elevação na camada de gelo, mas a GRACE vê a massa total, alertando os cientistas sobre a quantidade de gelo e água que está drenando da camada de gelo. “GRACE fornece informações que você não pode obter de nenhum outro instrumento satélite”, disse Velicogna.
Após analisar dois anos de dados, Velicogna relatou uma tendência de longo prazo: o manto de gelo está perdendo massa. Embora outras pesquisas na Groenlândia apóiem esta descoberta, ela acrescentou que os cientistas precisam de uma série de dados mais longa para entender o que está acontecendo com o manto de gelo. A Groenlândia possui cerca de 2.600.000 quilômetros cúbicos de gelo, o que, se derretido, resultaria em uma elevação do nível do mar de cerca de 6,5 metros (22 pés). Desde o final do século XIX, as camadas de gelo derretidas e as geleiras têm aumentado o nível global do mar em cerca de 1 a 2 centímetros por década.
Geleiras que derreteram há muito tempo afetam o nível do mar hoje. Por exemplo, uma grande massa de gelo cobriu a área da Baía de Hudson durante a última Era Glacial, que terminou há cerca de 15.000 anos. Agora, sem o peso das geleiras, a terra sob essa área está lentamente se recuperando a uma taxa de cerca de 1 centímetro por ano. Com o tempo, essa recuperação pós-glacial afeta as linhas costeiras regionais, complicando as leituras do marégrafo e tornando mais difícil monitorar as mudanças no nível global do mar. Os dados da GRACE permitirão aos cientistas medir a mudança que pode ser atribuída à recuperação pós-glacial, tornando mais fácil determinar o quanto outros fatores – como o aquecimento global – contribuem para a elevação do nível do mar.
Investigadores desenharam a GRACE como uma missão de cinco anos, mas os cientistas esperam coletar dados por até 10 anos. A continuação da vida da missão lhes permitirá explorar novas aplicações para os dados GRACE. “Estamos combinando medidas de gravidade com outros dados, como os da altimetria do lençol de gelo ou da altimetria do radar. Mas ainda estamos a tentar compreender o que todos estes dados nos dizem”, disse Watkins. “É um feito de engenharia muito impressionante que nos permite fazer medições tão detalhadas”. GRACE nos dá mapeamento gravitacional de alta resolução – é uma ferramenta pioneira de sensoriamento remoto”
Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins, e C. Reigber.2004. A recuperação da gravidade e a experiência climática: visão geral da missão e resultados iniciais. Geophysical Research Letters, 31, L09607, doi:10.1029/2004GL019920.
Chambers, D.P., J. Wahr, e R.S. Nerem. 2004. Observações preliminares das variações da massa oceânica global com GRACE. Cartas de Pesquisa Geofísica, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.
Para mais informações
NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.
(GRACE)
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