quarta-feira, 15 de julho de 2020

Paleoambiente: um exemplo

Espectroscopia e Paleontologia

Em um texto anterior mostramos que a espectroscopia Raman e a difração de raios-X podem auxiliar no entendimento de fósseis e do ambiente em que eles foram gestados. Vamos nessa postagem mostrar um exemplo de interpretação paleoambiental obtida a partir de dados de espalhamento Raman e fluorescência de raios-X. Aqui vamos dar o exemplo de um estudo de paleoambiente por meio de um trabalho recente publicado sobre o registro fóssil de duas formações: Irati, no Brasil, e Mangrullo, no Uruguai [1]. Para a análise realizada nesse trabalho foram estudados ossos de vertebrados do Período Permiano.

Os fósseis analisados, mesosauros, constituem uma pequena linhagem de aminiotas composto por três taxa: Brazilosaurus sanpauloensis, Stereosternum tumidum e Mesosaurus tenuidens. Esse animais viveram durante o Kunguriano (283.5 - 275.9 Ma) num mar conhecido como Mar Whitehill-Irati. Na verdade, tratam-se de cinco exemplares (fósseis com as suas respectivas rochas sedimentares) pertencentes à Coleção de Paleovertebrados do Instituto de Geociências da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 

Figura 1: Fósseis do Período Permiano analisados no trabalho da Ref. [1].


Usando a técnica de fluorescência de raios-X foi possível determinar os principais elementos químicos formadores do sedimento e dos ossos fósseis. Já com o uso da técnica de espectroscopia Raman descobriu-se as principais substâncias contidas nos ossos e nos sedimentos respectivos. Em particular, foi possível identificar nas amostras, em diferentes quantidades, o carbonato de cálcio, o quartzo, o carbono amorfo e, eventualmente indícios da existência de modos vibracionais associados aos grupos fenil e ao CC e ao CH.

A análise mostrou ainda que dos elementos que enriquecem os ossos apenas o Ce3+ pode substituir os sítios de Ca(VIII), enquanto o La3+ e o Nd3+, entre outros, pode substituir o Ca(IX). Devido à quantidade de Sr, pode-se supor que o ambiente no qual o fóssil se depositou era ligeiramente ácido (na verdade o ambiente poderia estar entre ácido e levemente básico se fosse levado em consideração apenas o Sr). Já a análise das quantidade de Ce e Eu indicam que o ambiente de S1 era redutível e o ambiente de S3 era levemente oxidativo. Da análise Raman também se estabeleceu que matéria orgânica pode estar presente em fósseis em concentrações relativamente baixas ou moderadas.


Quando se comparam os dados obtidos é possível notar que as amostras S1 e S5 possuem similaridades, da mesma foram que as amostras S3 e S4. Esse fato permitiu sugerir linhas paleobatimétricas com um alinhamento SE-NW. A amostra S2 estaria fora do alinhamento das outras quatro, correspondendo a um paleoambiente raso e costeiro. Adicionalmente, com esse trabalho sugere-se que o ambiente de deposição da Formação Mangrullo seria mais profunda do que se imaginava anteriormente. Assim, utilizando-se as duas técnicas espectroscópicas, se forneceu um interessante quadro de uma formação do Período Permiano.

[1] L.C. Queiroz, T. Carlisbino, E.V.H. Agressott, A.R. Paschoal, P.T.C. Freire, B.C. Viana Neto, J.H. da Silva, Paleoenvironmental interpretations of Irati and Magrullo Formations (Permiano of Paraná Basin) based on rocks and fossil bones through spectroscopy techniques, Vibrational Spectroscopy 110, 103110 (2020).

sexta-feira, 28 de fevereiro de 2020

Freeman Dyson

Faleceu hoje, aos 96 anos de idade, o físico inglês Freeman Dyson, que ficou conhecido por várias obras de divulgação científica e pelo seu trabalho em eletrodinâmica quântica, quando unificou as ideias de Sin-Itiro Tomonaga, Richard Feynman e Julian Schwinger.

Em sua obra Perturbando o Universo, Dyson mostra como ele se interessou pela ciência, ainda muito jovem, e enquanto o mundo se acabava numa guerra sem sentido ele resolveu estudar um livro de equações diferenciais, tendo ainda a tenra idade de 15 anos. Perturbando o Universo, aliás, é uma muito feliz tradução para o português do título original Disturbing the Universe. 'Perturbar' significa por um lado, incomodar, mexer com o que está quieto, mostrar que escolhas questionáveis do ponto de vista ético foram feitas; por outro lado, significa - para um físico como Dyson - realizar uma leve alteração num sistema físico e se obter um entendimento aproximado de um fenômeno complexo. Freeman Dyson, como cientista e como cidadão, incomodou e fez grandes descobertas.

Dyson realizou treinamento na Universidade de Cornell em 1947, quando ganhou uma bolsa de estudos para trabalhar com Hans Bethe durante 9 meses. No final deste treinamento, Dyson se aproximou de Richard Feynman e aprendeu com este a sua teoria da eletrodinâmica quântica. Nessa visão bastante particular de Feynman, repleta de representações pictóricas e cheia de intuições físicas diretas, "o elétron faz o que quiser. O elétron viaja no espaço e no tempo de todas as maneiras possíveis. Pode até voltar no tempo sempre que quiser" [1]. Na primavera de 1948 chegou às mãos de Bethe um artigo de S. Tomonaga, da Universidade de Toquio, "Sobre uma formulação relativisticamente invariante da teoria quântica dos campos de ondas", que expunha de uma maneira simples e lúcida, sem qualquer elaboração matemática - nas palavras do próprio Dyson - uma ideia geral sobre uma teoria quântica da eletrodinâmica.

Ao mesmo tempo, Julian Schwinger, da Universidade de Harvard, havia desenvolvido uma teoria matemática bem sofisticada do ponto de vista formal, que explicava o elétron sob a ótica de uma eletrodinâmica quântica. Por sorte, Freeman Dyson conseguiu um convite para participar no verão de 1948 de um curso na Universidade de Michigan, em Ann Arbor, no qual Schwinger exporia as suas ideias sobre a teoria recentemente inventada. Assim, Dyson teve a oportunidade de discutir detalhadamente o formalismo com o seu criador durante as cinco semanas do curso, após o qual percebeu que as teorias de Tomonaga, Feynman e Schwinger eram na verdade facetas diferentes da mesma concepção teórica. Ao terminar o curso de Schwinger e passar duas semanas sem pensar no problema, Dyson conta que "as imagens de Feynman e as equações de Schwinger começaram a se arrumar na minha mente com uma clareza que nunca tinham sido até então. Pela primeira vez, fui capaz de juntá-las. Durante uma hora ou duas, arrumei e rearrumei as partes. Agora sabia que elas combinavam. Não tinha lápis e papel, mas tudo estava tão claro, que não precisava anotar. Feynman e Schwinger estavam apenas vendo o mesmo conjunto de ideias de lados diferentes. Colocando os dois métodos juntos, era possível ter uma teoria da eletrodinâmica quântica que combinasse a precisão matemática de Schwinger e a flexibilidade de Feynman. E depois, finalmente, haveria uma teoria direta do campo intermediário. (...) Passei o resto do dia, enquanto olhava o sol se esconder na planície, delineando na cabeça o trabalho que escreveria quando chegasse a Princeton. O título seria "As teorias da radiação de Tomonaga, Schwinger e Feynman". Desse modo, estaria assegurando que Tomonaga teria a sua porção de glória" [1].

Após essa revelação, Dyson viajou para Princeton, para trabalhar com Robert Oppenheimer. Dyson conta que mostrou o trabalho para Oppenheimer, mas este passou várias semanas sem fazer nenhum comentário. "Eu esperava que ele fosse por o meu trabalho de lado, por ser meramente não-original, uma mera sombra de Schwinger e Feynman. Pelo contrário, ele o achou fundamentalmente no caminho errado. [...] Tinha de algum modo se convencido durante sua estada na Europa, de que a física estava precisando de ideias radicalmente novas, e que essa eletrodinâmica quântica de Schwinger e Feynman era apenas uma outra tentativa desorientada de remendar velhas ideias com que minha luta pelo reconhecimento seria muito mais interessante. Ao invés de discutir com Oppenheimer sobre os méritos duvidosos de meu próprio trabalho,, eu estaria lutando pelo programa inteiro da eletrodinâmica quântica - pelas ideias de Feynman, Schwinger e também as de Tomonaga."

Após convencer o grande Oppenheimer da validade de suas ideias, Freeman Dyson foi contratado pelo Instituto de Estudos Avançados de Princeton, no qual ficou até se aposentar, e mesmo depois. Dyson não ficou restrito à física teórica, mas trabalhou em vários problemas relacionados à matemática pura, à engenharia nuclear, à tecnologia, à astronáutica e à astronomia.

Para encerrar essas poucas linhas em homenagem à Dyson, reproduzimos a seguir uma pequena parte do último capítulo do seu Perturbando o Universo no qual ele, em 1979, discorre sobre a possibilidade de existir uma substância invisível mantendo as galáxias unidas tais como elas se nos apresentam aos telescópios. É interessante notar que nessa época não era comum se falar na possibilidade de existência de substâncias misteriosas como a matéria escura e a energia escura, que algumas décadas depois se tornariam temas centrais de investigação no ramo da astronomia. Eis o texto de Dyson: "Hoje dei uma palestra sobre matemática, somente para peritos. Sou um astrônomo teórico mais à vontade com lápis e papel que com um telescópio. Para mim, uma galáxia não é somente uma grande agregação de estrelas no céu; é um conjunto de equações diferenciais com soluções que se comportam de modos que ainda não entendemos. Falei hoje sobre as equações que se espera descrevam a dinâmica das galáxias. Há aqui um mistério. Quando resolvemos as equações num computador, as soluções mostram as estrelas caindo solidamente em padrões de movimento variáveis. Quando olhamos para verdadeiras galáxias no céu, não vemos estes padrões. Na ciência, uma discrepância deste tipo é sempre um indício importante; significa que algo essencial foi omitido, que alguma coisa nova espera ser descoberta. No caso das galáxias, a discrepância tem duas explicações possíveis. Ou nossa matemática está errada, ou as galáxias são mantidas fixas por alguma concentração enorme de matéria que é invisível aos nossos telescópios. Sustentava esta segunda alternativa. Creio que a matemática esteja certa e que a substância invisível deva estar lá" [1].

Referência:
[1] F. Dyson, Perturbando o Universo, Ed. Universidade de Brasília, Brasília: 1981.


segunda-feira, 24 de fevereiro de 2020

Missão Júpiter

O planeta Júpiter é um dos mais belos objetos celestes vistos da Terra. Certamente foi admirado pelos seres humanos desde que estes olharam para o céu noturno. Júpiter é de longe o maior planeta do Sistema Solar e é incrível que os antigos, incluindo os gregos e romanos, tenham dado para ele o nome do mais importante deus de suas religiões. De fato, dificilmente esses povos sabiam que Júpiter, com exceção do Sol fosse o maior astro do nosso sistema planetário. 

Além de aspectos físicos interessantes relacionados à Júpiter que mostraremos em várias postagens, o planeta tem uma particularidade histórica bastante relevante. Em 1610, quando Galileu Galilei apontou o telescópio para o planeta, descobriu que havia quatro satélites que giravam em torno dele, ou seja, pela primeira vez constatava-se de uma forma precisa que existiam astros que não giravam em torno da Terra. Como consequência, uma demonstração contundente contrária ao sistema geocêntrico era apresentada. Os quatro satélites, Io, Europa, Ganimedes e Calisto, são por si só, mundos com características geológicas fascinantes, cujas principais características são discutidas em outros pontos.

Desde a década de 70 do século passado existem missão de satélites interplanetários para se investigar o planeta Júpiter e suas luas. Os primeiros foram a Pioneer 10, lançada em março de 1972, e a Pioneer 11, lançada em abril de 1973 (essa última, além de investigar Júpiter também tinha o objetivo e investigar o planeta Saturno). A Pioneer 10 chegou à órbita de Júpiter em dezembro de 1973 e a Pioneer 11, em dezembro de 1974, atingindo finalmente Saturno em setembro de 1979. Esses satélites artificiais tinham como objetivos, além de tirar fotos dos planetas e seus principais satélites, confirmar a existência da intensa magnetosfera de Júpiter, o que foi conseguido com sucesso pela Pioneer 10.

As próximas missões interplanetárias foram as Voyagers, também norte-americanas, constituída por duas naves. A Voyager 1, lançada em setembro de 1973, tinha como objetivo estudar Júpiter e Saturno, além das luas Io e Titã (na verdade, o objetivo era mais amplo). Já a Voyager 2, lançada em agosto de 1977, tinha como objetivo estudar Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, tendo de fato realizado descobertas interessantes relacionadas a Urano, como a existência de um tênue anel, a descoberta de onze satélites naturais e o fato de que um dos polos do planeta aponta para o Sol.

No que diz respeito especificamente a Júpiter e seus satélites, a Voyager 1 os fotografou entre janeiro e abril de 1979. Entre as várias descobertas espetaculares das Voyagers destaca-se a intensa atividade vulcânica de Io, o satélite galileano mais próximo do planeta. Ainda como curiosidade sobre a missão Voyager 1, após a aproximação com Saturno estava previsto o sobrevôo aos planetas Urano e Netuno. Entretanto, devido à descoberta no ano anterior pela Pioneer 11 da existência de uma atmosfera em Titã [ver a postagem do blog Titã: um mundo estranhamente familiar, 22/03/2012], a Voyager 1 foi desviada para estudar esse satélite. Como consequência, a trajetória foi modificada e a nave saiu da eclíptica - o plano onde estão os planetas girando em torno do Sol - impedindo a visita aos outros dois planetas gasosos. Uma curiosidade a respeito do Voyager 1 é que nesse mês (fevereiro de 2020) está fazendo 30 anos que a nave, após completar a sua missão, recebeu comandos da NASA para virar a sua câmera em direção ao Sol e tirar uma fotografia dos planetas, incluindo aí a Terra. A foto do nosso planeta foi tirada em 14 de fevereiro de 1990, quando a nave encontrava-se a seis bilhões de quilômetros da Terra. Essa foto do nosso planeta ficou conhecida como "pálido ponto azul" (pale blue dot), tendo sido a denominação fornecida pelo astrônomo Carl Sagan, que foi um dos maiores incentivadores para que ela fosse obtida [1]. A foto [Figura 1] e a reflexão advinda dela pelo próprio Carl Sagan, ficaram famosas desde a década de 90 do século passado.



"Olhem de novo esse ponto. É aqui, é a nossa casa, somos nós. Nele, todos a quem ama, todos a quem conhece, qualquer um sobre quem você ouviu falar, cada ser humano que já existiu, viveram as suas vidas. O conjunto da nossa alegria e nosso sofrimento, milhares de religiões, ideologias e doutrinas econômicas confiantes, cada caçador e coletor, cada herói e covarde, cada criador e destruidor da civilização, cada rei e camponês, cada jovem casal de namorados, cada mãe e pai, criança cheia de esperança, inventor e explorador, cada professor de ética, cada político corrupto, cada "superestrela", cada "líder supremo", cada santo e pecador na história da nossa espécie viveu ali - em um grão de pó suspenso num raio de sol. A Terra é um cenário muito pequeno numa vasta arena cósmica. Pense nos rios de sangue derramados por todos aqueles generais e imperadores, para que, na sua glória e triunfo, pudessem ser senhores momentâneos de uma fração de um ponto. Pense nas crueldades sem fim infligidas pelos moradores de um canto deste pixel aos praticamente indistinguíveis moradores de algum outro canto, quão frequentes seus desentendimentos, quão ávidos de matar uns aos outros, quão veementes os seus ódios. As nossas posturas, a nossa suposta auto importância, a ilusão de termos qualquer posição de privilégio no Universo, são desafiadas por este pontinho de luz pálida. O nosso planeta é um grão solitário na imensa escuridão cósmica que nos cerca. Na nossa obscuridade, em toda esta vastidão, não há indícios de que vá chegar ajuda de outro lugar para nos salvar de nós próprios. A Terra é o único mundo conhecido, até hoje, que abriga vida. Não há outro lugar, pelo menos no futuro próximo, para onde a nossa espécie possa emigrar. Visitar, sim. Assentar-se, ainda não. Gostemos ou não, a Terra é onde temos de ficar por enquanto. Já foi dito que astronomia é uma experiência de humildade e criadora de caráter. Não há, talvez, melhor demonstração da tola presunção humana do que esta imagem distante do nosso minúsculo mundo. Para mim, destaca a nossa responsabilidade de sermos mais amáveis uns com os outros, e para preservarmos e protegermos o "pálido ponto azul", o único lar que conhecemos até hoje."



Figura 1: Fotografia da Terra obtida pela Voyager 1 em 14 de fevereiro de 1990, quando ela se encontrava a 6 bilhões de quilômetros do nosso planeta, e que ficou conhecida como Pálido Ponto Azul. A Terra aparece na faixa marron amarelada como um pequeno ponto.

Outra espaçonave que fez interessantes observações de Júpiter foi a Galileu. Lançada em 18 de outubro de 1989, ela entrou em órbita de Júpiter em 7 de dezembro de 1995, tendo realizado uma série de descobertas sobre o planeta e suas quatro maiores luas. Também conseguiu um feito inédito, qual seja, observar o mergulho de um cometa na atmosfera de Júpiter. Tratou-se do cometa Schoemaker-Levy 9, que se chocou com a atmosfera do planeta em julho de 1994. Em outra postagem discutimos esse acontecimento.

Inicialmente a sonda foi em direção ao planeta Vênus, chegando em 10 de fevereiro de 1990 a uma distância de 16000 km do referido planeta. Com essa aproximação a Galileu ganhou um empuxo, fazendo com que sobrevoasse a Terra em 8 de outubro de 1990 a 960 km de distância e depois, sobrevoasse o nosso planeta uma segunda vez em 29 de outubro de 1991, chegando a apenas 300 km de distância. Isso fez com que a Galileu obtivesse uma velocidade suficiente para dirigir-se à Júpiter [2]. Em 13 de julho de 1995, a Galileu enviou uma sonda atmosférica em direção ao planeta Júpiter. A sonda atmosférica mergulhou 600 km antes de ser esmagada pela atmosfera, sem entretanto encontrar terreno sólido. Descobriu-se que a atmosfera possui níveis de hélio, neônio, carbono, oxigênio e enxofre menores do que seria esperado [3]. Por outro lado, a densidade da atmosfera e temperatura revelaram-se serem maiores do que a expectativa. Durante 156 km da descida, vários instrumentos também revelaram a existência de fortes ventos, frio e calor intensos e fortes turbulências [3]. Alguns instrumentos revelaram altos níveis de gelo de amônia na atmosfera, mas uma quantidade irrisória de água. A Figura 2 apresenta um esquema da órbita de Galileu desde o seu lançamento até a finalização de sua missão em Júpiter.


Figura 2: Representação da órbita de Galileu desde o seu lançamento até o final da sua missão em Júpiter. Observe-se que inicialmente a nave foi direcionada para Vênus, quando foi estilingada de volta à Terra. Após passar próximo ao nosso planeta e visitar alguns asteroides aproximou-se novamente do nosso planeta e foi novamente estilingado, agora em direção à Júpiter onde cumpriu a sua missão [2].



[1] Uma curiosidade adicional sobre a Voyager 1. Em 28 de novembro de 2017, os engenheiros da missão enviaram um sinal até a espaçonave para ela acionar novamente os seus foguetes, o que ela fez com sucesso, após 37 anos que eles se mantiveram parados (a última vez havia sido no ano de 1980).
[2] Galileu - End of Mission, in https://web.archive.org/web/20110721053820/
http://solarsystem.nasa.gov/missions/docs/galileo-end.pdf  [consultado em 27/03/2020].
[3] Galileu Probe Science Results, in https://www2.jpl.nasa.gov/sl9/gll38.html [consultado em 27/03/2020].




quinta-feira, 20 de fevereiro de 2020

Primeiros passos

Os gregos eram muito criativos e, por conta dessa criatividade, construíram várias hipóteses sobre a constituição mínima da matéria. Outros povos também tiveram visões engenhosas sobre a constituição do mundo, mas os registros dos gregos foram transmitidos aos romanos e chegaram até nós. Anaximandro, por exemplo, achava que existia uma substância básica, eterna e indestrutível. Heráclito achava que o fogo era o elemento básico original, enquanto que Demócrito acreditava numa substância indivisível que ele denominou de átomo. 

Os séculos se passaram até que ficou estabelecido no primeiro quartel do século XX que de fato existem unidades básicas de matéria, também denominadas de átomos (embora estes possam ser divididos em partes menores). Concomitantemente à verificação experimental da existência dos átomos foi produzida uma teoria para explicar a estabilidade dessas estruturas. A teoria física que explica essa estabilidade, bem como as ligações químicas, a existência do spin e, em última análise, como funcionam os materiais semicondutores, é denominada de mecânica quântica. Fundamentalmente, a partir de uns poucos postulados, edifica-se toda a teoria. 

As pessoas que se interessam pelo assunto podem ler alguns bons livros de divulgação científica existentes ou estudar o tema em dezenas, talvez centenas, de excelentes livros textos disponíveis na literatura. Com o objetivo de apresentar alguns poucos problemas abordados pela teoria quântica, publicamos um pequeno livro denominado Primeiros Passos na Mecânica Quântica [Editora Corsário, Fortaleza, 2019]. Não se trata exatamente de um livro texto, como falamos existem dezenas com excelente qualidade. Primeiros Passos é uma obra modesta, mas para quem tem noções de física básica, cálculo e álgebra linear e quer ver alguns poucos problemas resolvidos em detalhes, pode ser uma opção. Os assuntos nele abordados são: os postulados da mecânica quântica, o princípio da correspondência, o princípio da complementaridade, espaço de vetores complexos e notação de Dirac, comutadores e o princípio da incerteza, valores esperados, a equação de Schrödinger, o oscilador harmônico, potenciais unidimensionais, momento angular, o átomo de hidrogênio e métodos aproximativos. Fica a sugestão.

Informações adicionais: tarso@fisica.ufc.br