Os satélites GRACE: porque é tão importante medir a aceleração da gravidade da Terra

Hoje, percebemos a importância dos satélites artificiais no cotidiano de nossas vidas. Muitas das imagens que aparecem de certas áreas do globo vieram de satélites responsáveis pelo monitoramento da superfície terrestre. Além disso, existem satélites cruciais para o setor de telecomunicações por serem transmissores de sinal para diversos outros aparelhos. Toda essa tecnologia, no entanto, não possui apenas aplicação direta para a sociedade: existem satélites que exercem um papel de grande relevância para estudos científicos, e isso inclui a própria Geofísica!

Figura 1

Neste artigo, exploraremos um pouco mais acerca dos satélites que são responsáveis pela determinação de anomalias da gravidade de diferentes pontos da Terra a partir de sua órbita. Mas, antes de tudo, por que estudar a aceleração da gravidade na superfície da Terra? Em nosso artigo que fala sobre gravimetria (que pode ser acessado neste link), comentamos que, em termos gerais, as heterogeneidades de massa na Terra provocavam diferenças pequenas, mas perceptíveis, na aceleração de gravidade na superfície. 

Dessa forma, ficou claro que a aceleração da gravidade varia em função da posição em que a medição é feita. Agora, você sabia que ela também varia em função do tempo? Um mesmo lugar pode registrar uma aceleração da gravidade diferente dependendo do período em que ela é feita. Mas por que isso acontece?

 

 A Terra em transformação

Figura 2

Já afirmava o icônico filósofo da Grécia Antiga, Heráclito de Éfeso, que “ninguém pode entrar duas vezes no mesmo rio, pois quando se entra nele novamente, não se encontram as mesmas águas, e o próprio ser já se modificou”. Através disso, esse pensador firmava a sua filosofia na percepção de que tudo muda a todo instante. Assim é a Terra: ao contrário do que se poderia imaginar, a distribuição das massas na Terra segue um padrão dinâmico. A cada segundo que se passa, sua configuração já mudou em decorrência da complexidade de fenômenos que atuam em seu interior e na atmosfera. Entre todas as ocorrências, vale mencionar o fenômeno das marés, que causa diferenças na concentração de massas nos oceanos; terremotos, que podem causar grandes  deslocamentos de massa na superfície e nas camadas mais profundas da Terra; os movimentos atmosféricos associados às massas de ar que implicam em mais deslocamentos de massa.

Infelizmente, temos que considerar também as mudanças que vêm acontecendo por causa da influência humana, como a gradual perda de massa nas geleiras e o subsequente aumento do nível do mar devido ao Aquecimento Global; ou, ainda, a retirada insustentável de água de aquíferos para uso em atividades humanas. 

Para estudar esses fenômenos, seria muito útil poder estabelecer uma relação quantitativa de como a massa nessas regiões variam. Hoje, existem equipamentos capazes de identificar variações gravimétricas na superfície, que podem em alguns casos estar associadas a este tipo de atividade. 

 

Quais instrumentos poderiam ser utilizados?

Um dos equipamentos mais comuns para medir a aceleração da gravidade é o gravímetro, e ele é utilizado para realizar medições pontuais na superfície terrestre. 

gravimetro

Este equipamento consegue determinar o valor da aceleração da gravidade local com elevada precisão. Contudo, muitos dos fenômenos da Terra mencionados são de escala planetária, e acaba sendo muito inviável usar equipamentos que realizam medições pontuais no planeta Terra para entendê-los adequadamente. 

Nesse sentido, com a necessidade de realizar medições da aceleração da gravidade que englobam todo o planeta é que a tecnologia aplicada aos satélites ganha destaque. Assim, surgiu uma alternativa promissora para a comunidade científica.

 

Mas o que é um satélite?

Figura 4

De modo geral, um satélite é todo objeto que está em órbita com um corpo celeste. No entanto, existem satélites que são construídos e colocados em órbita pela ação humana, sendo chamados de artificiais. O nome é usado para diferenciar objetos que já existiam sem a ação humana, como é o caso da Lua, um satélite natural.

 

E de quais satélites estamos falando?

Em março de 2002, através de uma parceria realizada entre a NASA e o Centro Aeroespacial Alemão, foram lançado dois satélites que entraram em uma missão que ficou conhecida como GRACE. A sigla, em inglês, significa, em tradução livre, Experimento Climático e Recuperação da Gravidade. Existia perspectiva de que esse projeto durasse, pelo menos, 5 anos.  

Para o funcionamento do sistema, os dois satélites seguem uma órbita na qual um acompanha a trajetória do outro, que se localiza na dianteira, como mostra a figura a seguir:

GRACE_2

Os dois satélites são praticamente idênticos e possuem um distanciamento de 220 quilômetros entre si. Além disso, são emitidas ondas de micro-rádio de cada um dos satélites, que são recebidas pelo outro.

Enquanto eles percorrem suas órbitas, é possível que o satélite que se move na dianteira  encontre uma região em que a concentração de massa é maior (e, como já discutimos no artigo de gravimetria, é esperado que a distribuição de massas na Terra seja desigual). Dessa maneira, a aceleração de gravidade também é maior e o satélite da dianteira “é puxado” para uma nova posição de equilíbrio, em uma altitude menor que a altitude na posição anterior. Contudo, o satélite da traseira está a 220 quilômetros de distância do dianteiro e, por conta disso, ainda não sofreu essa modificação na órbita pela diferença na aceleração (e, portanto, na força) da gravidade. Isso implica que os sensores dos satélites irão captar uma diferença da posição relativa entre os satélites. 

Esses instrumentos em órbita trabalham, de forma ininterrupta, com a observação constante de suas posições relativas à medida que realizam sua órbita pela Terra. Quando a força da gravidade local é maior, o satélite da dianteira se aproxima da Terra e essa informação é captada pelo satélite de trás. Por outro lado, se a força da gravidade da região for menor, o satélite da dianteira irá se distanciar da Terra.

São nessas comparações de posição entre os dois satélites que os equipamentos utilizados conseguem perceber alterações sutis da posição relativa dos dois objetos, de dimensão da ordem de uma fração da espessura de um fio de cabelo.

Após um devido processamento numérico, essas informações bastarão para que sejam calculadas as anomalias gravimétricas na Terra inteira.

Um mapa gravimétrico observado como na figura a seguir apenas foi possível com a observação informacional obtida por satélites como o GRACE.

Figura 5

Os passos futuros dessa tecnologia

Já percebemos, o grande potencial que esses mapeamentos gravimétricos trazem para a ciência. O que você acha de ver alguns resultados?

Neste link (em inglês), você poderá encontrar muitos dos trabalhos feitos com informações obtidas pelos satélites GRACE no site da NASA.

Foram tantas as contribuições que esses satélites proporcionaram, e o tempo de vida útil dos satélites chegou ao seu fim em outubro de 2017, o que permitiu com que os satélites funcionassem o triplo do tempo previsto na execução da missão GRACE. Assim,  os satélites tiveram que ser descomissionados, deixando um legado de dados que serviram de base para muitos estudos no mundo todo, incluindo o próprio Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da USP! Com essas informações, foi possível realizar um estudo gravimétrico para quantificar a variação da massa de água presente no Aquífero Guarani , que será o tópico trabalhado em nossos artigos futuros.

Apesar da missão GRACE já ter sido finalizada, o futuro das pesquisas gravimétricas por satélite ainda não acabou! No dia 22 de maio de 2018 os satélites GRACE-FO (com as siglas finais vindas do inglês Follow On, que significa “continuação”) puderam ser lançados em órbita, com um princípio de funcionamento muito parecido com os dos satélites anteriores, mas contendo a tecnologia de ponta da última década e uma precisão ainda maior nas medições. Mais ainda, em 2011 um par de satélites parecidos fez o mapeamento detalhado do campo de gravidade da Lua! Conheça mais sobre eles pesquisando sobre a missão GRAIL acessando este link (em inglês).

Se você gostou do propósito por trás da missão, vale a pena ver o vídeo que realiza um levantamento geral dos 15 anos dos satélites GRACE com alguns de seus resultados:

Agora, a expectativa de novas análises repousa sobre o GRACE-FO, que já está apresentando novos dados e irá acompanhar o nosso planeta pela próxima década., observando detalhes do nosso lar que já não é o mesmo a cada dia que se passa. Então, o questionamento que fica é: qual será a Terra que esses novos satélites irão monitorar nos próximos anos?

Colaboração: Prof. Eder Molina (IAG-USP)

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