As camadas protetoras do céu

22 de fevereiro de 2016

Peter Moon | Agência FAPESP – A camada de ozônio da estratosfera, que se estende de 10 a 50 quilômetros (km) de altitude, bloqueia os raios ultravioleta nocivos à saúde. Mas o que muitos desconhecem é que a camada de ozônio é apenas uma das barreiras que a Terra dispõe contra as diversas radiações solares.

“A camada de ozônio é a última barreira aos raios ultravioleta. E nem é a principal. A maioria dos raios ultravioleta e ultravioleta extremo, além do fluxo de raios X emitido pelo Sol, é absorvida na ionosfera. A ionosfera é o nosso principal escudo às radiações ionizantes provenientes do Sol”, disse o físico Paulo Roberto Fagundes, da Universidade do Vale do Paraíba (Univap), em São José dos Campos. A ionosfera se estende entre 70 e 1.500 km de altitude, já na fronteira com o espaço sideral.
Apesar de a ionosfera ser o principal manto protetor da Terra, suas propriedades e a sua possível relação com o clima e com o meio ambiente só recentemente começaram a ser estudadas e compreendidas.
“No fundo, estamos tentando entender melhor a atmosfera, que é o meio ambiente do planeta”, disse Fagundes, coordenador do Projeto Temático “Estudo da variabilidade dia a dia da mesosfera, termosfera e ionosfera em baixas latitudes e região equatorial, durante o ciclo solar 24”, financiado pela FAPESP.

O objetivo do projeto é estudar a variação diária da dinâmica da alta atmosfera (mesosfera e termosfera) e da eletrodinâmica da ionosfera em baixas latitudes e na região equatorial, utilizando uma rede de observatórios no setor brasileiro, dados complementares de outros setores e dados de satélite.
Um dos resultados do Temático é o artigo Ionospheric response to the 2009 sudden stratospheric warming over the equatorial, low, and middle latitudes in the South American sector, publicado no Journal of Geophysical Research: Space Physics.

De acordo com Fagundes, o artigo deriva de um esforço internacional para entender o acoplamento vertical e longitudinal entre as várias camadas da atmosfera/ionosfera sobre as Américas e é fruto de uma colaboração entre a Univap, o Massachusetts Institute of Technology (MIT, Estados Unidos), o Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (Itália) e a Universidad Nacional de La Plata (Argentina).

Fotoionização

A alta atmosfera é formada por gás muito rarefeito, sendo os principais o oxigênio (O), o oxigênio molecular (O2) e o nitrogênio molecular (N2). As moléculas O, O2 e N2 são banhadas pelo fluxo de radiações solares, composto dos energéticos raios ultravioleta, ultravioleta extremo e raios X.

Ao entrar em contato com essas radiações, as moléculas e átomos absorvem sua energia, em um processo conhecido como fotoionização. Ao fazê-lo, as moléculas ou átomos perdem um ou mais elétrons e são criados íons (de carga positiva) e elétrons (de carga negativa). Daí vem o nome ionosfera: a região da atmosfera onde existem elétrons e íons livres.
É justamente essa capacidade de as moléculas e átomos ionizarem ao absorver as radiações mais energéticas que impede que as radiações atinjam a superfície terrestre.
A totalidade dos raios X é barrada na ionosfera, assim como a maioria dos raios ultravioleta e ultravioleta extremo. Os que conseguem escapar da ionosfera podem ou não ser barrados pela camada de ozônio, dependendo da concentração e espessura da camada de ozônio – daí o risco promovido pelo aumento no buraco da camada de ozônio sobre a Antártica. Onde há o buraco, os raios UV atingem a superfície em quantidades muito perigosas.

O fluxo de radiação solar que atinge a Terra não é constante. Ele altera de intensidade em função do ciclo solar, ou seja, do nível da atividade do Sol, que varia em intervalos de 11 anos. Em períodos de atividade solar mínima, a intensidade das radiações solares (ultravioleta, ultravioleta extremo e raios X) na ionosfera diminui, fazendo com que uma quantidade menor de átomos e moléculas ionizem.
De outra forma, quando a atividade solar está em seu máximo, o fluxo de radiação eleva e aumenta a quantidade de material ionizado. “O último mínimo solar ocorreu entre 2006 e 2012 e teve um comportamento atípico. Foi prolongado e atingiu valores muito pequenos. Agora, estamos no máximo solar”, disse Fagundes.

O fluxo de radiação solar também sofre oscilações bruscas, causadas pela ocorrência de tempestades solares. São erupções repentinas na superfície do Sol, que aumentam dramaticamente o fluxo de radiação emitida e, consequentemente, de material ionizado na ionosfera.
“A maioria dos satélites orbita o planeta entre 100 e 1.000 km de altitude e seu funcionamento é muito sensível em relação à atividade solar”, disse. Fagundes.

Densidade de elétrons

O estudo agora publicado mostra que a densidade de elétrons na ionosfera pode ser perturbada durante dias por fenômenos meteorológicos.
“Os meteorologistas sabem há muitos anos que, no hemisfério Norte e em menor grau no hemisfério Sul, existe um aumento súbito nas temperaturas na estratosfera sobre os polos, durante o inverno”, disse Fagundes.

Esse aquecimento se deve a uma mudança de direção de um vento específico na região do polo Norte. A consequência é o aumento da temperatura na estratosfera, até os 30 km de altitude.
“Começamos a perceber que ocorrem também alterações na densidade de elétrons na ionosfera, em altitudes de até 300 km. Essas alterações se propagam ao longo das latitudes, se deslocando do polo Norte, passando pelas latitudes médias do hemisfério Norte, pela Linha do Equador, pelo Brasil e chegando até o sul da Argentina”, disse Fagundes.

Uma das hipóteses em estudo no momento é que essa propagação não termine na Argentina, mas prossiga até a ionosfera sobre o polo Sul. Isso poderia se tratar de um acoplamento polo a polo.
“Ainda não sabemos se é esse o caso, mas, sob o ponto de vista das mudanças climáticas globais, é importante entender o funcionamento da atmosfera como um todo e da ionosfera em particular”, disse Fagundes.

O artigo Ionospheric response to the 2009 sudden stratospheric warming over the equatorial, low, and middle latitudes in the South American sector (doi: 10.1002/2014JA020649), de Paulo Roberto Fagundes e outros, pode ser lido por assinantes do Journal of Geophysical Research: Space Physics em http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014JA020649/full.

Planeta azul: quando o Sol ilumina céu e mar

Basta pensar na enorme mancha azul que é o céu sobre toda a superfície terrestre e na extensão dos oceanos para termos a noção da dominância da cor azul. Entender este predomínio implica uma viagem sobre a interação da radiação solar com as matérias constituintes do planeta. 

 

Por: Miguel A. R. B. Castanho

Publicado em 16/09/2015 | Atualizado em 16/09/2015

Predomínio da cor azul no planeta é resultado das interações entre radiação solar e matérias constituintes da Terra. (foto: MR/FreeImages.

 

A cor é uma sensação produzida após a entrada de luz em nossos olhos. A modificação da luz solar por interação com a matéria à nossa volta (atmosfera, solo, objetos, plantas, animais, elementos das paisagens) faz com que ela adquira características particulares que produzem em nós a sensação de cores diferentes. Em realidade, não só a cor em si, mas também o brilho, o contraste, a intensidade e outras características associadas. Porém, vamos deter-nos na cor.

A abordagem mais simples ao fenômeno da cor baseia-se apenas na frequência da radiação que lhe dá origem. Para muitas aplicações práticas, a radiação pode ser descrita como um campo magnético e um campo elétrico perpendiculares e oscilantes. É ao campo elétrico de parte dessa radiação que podemos atribuir a responsabilidade pela percepção da cor.

A radiação visível de maior frequência é percebida em nosso cérebro como azul (anil/violeta, no limite), enquanto a de menor frequência, como vermelho. Entre esses extremos, temos a mesma paleta que nos oferece o arco-íris, com verde, amarelo e laranja. Misturando radiações de frequências diferentes, percebemos a cor resultante dessa mistura e, desse modo, temos à disposição uma gama de cores incrível, para tornar as paisagens naturais um fascínio cromático.

A fração visível do espectro eletromagnético é pequena se comparada com toda a gama de radiação disponível. (arte: Luiz Baltar)

É interessante notarmos que a gama de radiações conhecida excede em muito as frequências associadas às cores. Em realidade, frequências maiores do espectro eletromagnético (ultravioleta, raios X e raios gama) correspondem a energias mais altas, capazes de quebrar ligações químicas de nosso material genético (DNA) e, assim, provocar danos nas células e nos tecidos, podendo levar à formação de tumores. No entanto, não lhes fazemos corresponder quaisquer sensações.

Já as frequências menores, quando próximas da frequência do vermelho, levam à sensação de calor, mas também não lhes associamos cores.

A radiação visível de maior frequência é percebida em nosso cérebro como azul, enquanto a de menor frequência, como vermelho

 

A radiação de que os nossos olhos tiram partido – que suscita o sentido da visão e, por isso, chamamos visível – é simplesmente aquela que mais abunda na superfície terrestre, conseguindo penetrar na água, vinda da maior fonte de radiação a que a Terra se expõe: o Sol. Afinal, evoluímos para usar a radiação mais abundante à nossa volta. De fato, a fração visível do espectro eletromagnético é pequena se comparada com toda a gama de radiação disponível para uso prático. A especialização dos olhos em uma fração tão estreita do espectro eletromagnético parece, à primeira vista, um desperdício sem sentido. Mas não é bem assim: os olhos evoluíram naturalmente, segundo os princípios darwinistas habituais de adaptação aos recursos disponíveis.

Prismas, diamantes e céu

Como dito antes, a percepção da cor é dada como resultado da combinação da radiação que chega a nossos olhos. Quando se trata de luz vinda de uma fonte luminosa direta, a situação é simples. No entanto, a radiação pode sofrer transformações quando incide sobre a matéria que compõe nosso ambiente. Ela pode ser absorvida por determinados materiais, refletida ou ‘desviada’ (refratada). Talvez um dos exemplos de refração mais conhecidos seja o da luz solar passando através de um prisma de vidro e sendo ‘decomposta’ por este. No caso, as cores separam-se de forma clara, pelo fato de a radiação ter, no novo meio (vidro), um desvio que depende de sua frequência, o que faz com que diferentes cores emanem do prisma com ângulos diferentes.

Um fenômeno igualmente fascinante, mas que envolve tanto reflexão quanto refração, é a passagem da luz por um diamante com a lapidação na forma de brilhante. Se a pedra for de boa qualidade, nenhuma radiação visível é absorvida – isto é, o diamante é de uma transparência pura –, e as medidas e os ângulos dos cortes são tais que a luz que entra nele é desviada e refletida para ser devolvida pelo topo, causando a sensação de brilho e luminosidade.

Ao penetrar a atmosfera, os raios solares são espalhados, desviados de sua trajetória original, como resultado das colisões com as moléculas de ar. (arte: Luiz Baltar)

Estruturas cristalinas como as safiras têm compostos de íons metálicos em seu interior, ausentes nos diamantes, estes contendo apenas carbono. Esses compostos absorvem as radiações com frequências específicas. Assim, ‘sobram’, para a reflexão e refração, as restantes frequências, que emanam da pedra e chegam a nossos olhos. Como resultado, as safiras podem ser de um verde ou azul deslumbrantes.
O azul do céu – também ele esplendoroso – pode ser explicado de forma semelhante. Ao penetrar a atmosfera, os raios solares são espalhados, desviados de sua trajetória original, como resultado das colisões com as moléculas de ar. O espalhamento da radiação azul – por conta de sua frequência mais alta – é mais pronunciado do que o do restante da radiação, fazendo dessa cor a dominante no meio. É isso que nos faz perceber o céu diurno como azul.

Miguel A. R. B. Castanho

Instituto de Medicina Molecular,

Faculdade de Medicina,

Universidade de Lisboa (Portugal), e

Instituto de Bioquímica Médica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Macho ou fêmea?

Pesquisadores desenvolvem método mais rápido e barato para determinar o sexo de aves recém-nascidas. Além de ser menos estressante para os animais, a nova técnica, que se baseia em raios X emitidos pela penugem, não prejudica o meio ambiente. 

 

Por: Mariana Rocha

Publicado em 03/06/2014 | Atualizado em 03/06/2014

Normalmente, a distinção do sexo das aves é feita a partir de características físicas que, no caso de pintinhos, só surgem quando eles têm quatro semanas de vida. (foto: Thomas Vlrerick/ Flickr – CC BY 2.0) 

 

Barato, rápido e ecologicamente correto. Assim pode ser descrito o método desenvolvido por pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) para determinar o sexo de aves recém-nascidas. Em apenas cinco minutos, a técnica é capaz de dizer com 100% de precisão se uma ave é macho ou fêmea – distinção imprescindível para a indústria avicultora e para o sucesso reprodutivo de aves silvestres ameaçadas de extinção.

A técnica foi testada em 25 pintinhos recém-nascidos que ainda não tinham características físicas suficientemente desenvolvidas para a sexagem – nome dado ao processo de distinção entre macho e fêmea.

Em apenas cinco minutos, a técnica é capaz de dizer com 100% de precisão se uma ave é macho ou fêmea.

 

Do primeiro ao oitavo dia de vida dos animais, a química Juliana Terra, que desenvolveu o método durante seu pós-doutorado na Unicamp, cortou diariamente uma pequena quantidade da penugem de cada um para analisar sua composição. “Nas penugens coletadas no oitavo dia de vida, foi possível detectar o sexo dos animais com 100% de acerto”, diz a pesquisadora. A distinção por características físicas costuma ser feita somente quando os pintinhos já têm quatro semanas de vida.

Terra explica que, para fazer a sexagem, as amostras de penugem recebem radiação eletromagnética. Tal processo faz com que elétrons de camadas internas dos átomos que compõem a penugem sejam ejetados e o espaço deixado por eles passa a ser ocupado por elétrons oriundos de camadas externas. Quando esses elétrons se locomovem para as camadas internas, liberam energia. “Conforme a energia liberada, é possível saber qual átomo estava presente na amostra”, completa. “Além disso, a intensidade da radiação emitida é proporcional à concentração do elemento.”
Ao medir a energia liberada pelas amostras irradiadas, Terra determina a concentração de enxofre presente na penugem. Tal elemento compõe a queratina, proteína que constitui, além das penas das aves, unhas, pele e pelos humanos e animais.

“A rigidez e resistência das queratinas são consequências das ligações entre moléculas de enxofre e variam entre os sexos”, explica a química. “A causa dessa variação ainda não está clara, mas existem indícios de que a estrutura da proteína é diferente para machos e fêmeas e o mesmo ocorre para homens e mulheres.” Nos pintos, há maior concentração de enxofre na penugem dos machos em comparação à das fêmeas.

Para analisar a composição da penugem das aves, a técnica desenvolvida na Unicamp utiliza raios X com intensidade 100 a 1.000 vezes menor que a dos usados na prática clínica. (foto: Juliana Terra)

Atualmente, a sexagem de pintinhos recém-nascidos é feita por meio da identificação visual da presença ou ausência de um órgão masculino rudimentar. “Esse órgão pode ser identificado com 95% de acerto por profissionais bem treinados e a técnica é quase uma 'arte', devido à complexidade envolvida”, comenta Terra. A necessidade de especialistas torna o método caro e, por exigir que o profissional aperte a cloaca do animal, o procedimento é considerado estressante para as aves.

“Há também métodos que envolvem análise citogenética, ultrassonografia e técnicas baseadas em DNA, mas eles são caros e/ou invasivos”, complementa a pesquisadora. Ela destaca que, futuramente, a proposta é utilizar equipamentos portáteis para medir os raios X, dispensando o corte da penugem do animal.

Vantagens para a indústria

Por ser capaz de distinguir com precisão o sexo de aves com apenas oito dias de vida, o método se mostrou muito vantajoso para a indústria avicultora. Como cada sexo possui necessidades nutricionais diferentes, o avicultor evita o desperdício de ração e reduz os custos ao criar machos e fêmeas em locais separados. “O ideal é que a sexagem de pintinhos e a consequente separação por sexo ocorra o quanto antes”, diz Terra.

O método foi testado apenas em pintinhos, mas pode ser adaptado para outras aves

Além da aplicação na indústria, a nova técnica pode ser útil no combate à extinção de algumas espécies de aves silvestres, já que a identificação do sexo é fundamental para o sucesso reprodutivo de espécies mantidas em cativeiro.
A pesquisadora explica que mais de 50% das aves apresentam dificuldade de identificação dos sexos mesmo em idade adulta – caso de araras, papagaios e tucanos, que correm risco de se extinguir. São animais que não têm diferenças visíveis em seus órgãos genitais nem apresentam características secundárias que permitam a distinção sexual. Até agora, o método foi testado apenas em pintinhos, mas pode ser adaptado para outras aves.
Terra acrescenta que o grupo envolvido na pesquisa optou por não patentear a técnica, apesar de sua aplicação comercial. “A proposta inicial do trabalho não envolveu apelo de mercado, mas a constatação de que a metodologia proposta poderia ser uma alternativa aos métodos vigentes”, completa.

Mariana Rocha
Ciência Hoje On-line