O efeito Mpemba

Imagine o leitor colocando em duas vasilhas semelhantes a mesma quantidade de água dentro de um congelador. Entretanto, numa delas coloca-se água à temperatura ambiente e na outra água à temperatura próxima de 100 graus centígrados. Para nossa surpresa, o líquido que inicialmente se encontrava na temperatura mais alta congelará primeiro. Esse é em resumo o chamado efeito Mpemba.
O fenômeno já foi descrito por Aristóteles, Francis Bacon e por René Descartes. Entretanto, aparentemente ele foi esquecido e redescoberto em 1963 por um estudante do ensino fundamental da Tanzânia, Erasto Mpemba. Mpemba, que morava numa localidade afastada da escola, notou enquanto esperava o ônibus para casa, que quando ele preparava sorvete com leite que acabava de ser fervido, ele congelava mais rapidamente do que o sorvete preparado com leite à temperatura ambiente. Ele então perguntou ao seu professor qual a razão deste fenômeno e por causa da pergunta sofreu uma grande gozação dos colegas. Um professor da capital vindo visitar a escola foi inquerido por ele; o professor sem saber a resposta disse que iria averiguar. Retornando à Universidade o professor solicitou ao assistente que fizesse o experimento para verificar se o achado do aluno do interior era verdadeiro. Aqui acontece um dos mais interessantes fatos da redescoberta. O professor, estranhando a demora na resposta de um experimento tão simples, após um certo tempo perguntou ao assistente se ele havia esquecido da tarefa. O assistente então respondeu: "Não professor, é que estou realizando o experimento repetidamente e o líquido mais quente está congelando primeiro. Vou continuar trabalhando até encontrar o resultado correto!"
O efeito Mpemba pode ser resultado de diversos fenômenos que ocorrem simultaneamente. Na verdade, até hoje, não existe uma resposta clara para a explicação do fenômeno. Algumas das suposições sugerem diferentes taxas de evaporação nos dois líquidos; efeitos de convecção, que seria mais efetivo no líquido mais quente, o que aceleraria a transferência de calor; o supercongelamento, entre outros. O supercongelamento é um processo no qual a temperatura de um líquido é diminuída abaixo do seu ponto de congelamento sem que ele se torne sólido. Isso ocorre porque para congelar um líquido precisa cristalizar a partir de uma semente ou de um núcleo de cristalização. Com a ausência destes núcleos, a fase líquida pode ser mantida abaixo da temperatura na qual o líquido se tornaria sólido. A água fria, num congelador, supercongela mais do que a água quente, o que implicaria que ela congela menos lentamente do que a outra. Além disso, a água inicialmente quente, por causa da evaporação, teria mais impurezas do que a água fria (mesmo número de impureza para diferentes volumes de água) o que implicaria percentualmente em maior número de núcleos de cristalização.
O certo é que ainda não existe uma explicação suficientemente consistente para o fenômeno, redescoberto na última metade do século XX por um rapaz de 13 anos numa aldeia perdida no interior da África: a Física é sempre fascinante!

Referências:
1. E. B. Mpemba, D. G. Osbourne, "Cool?", Phys. Educ. 4, 172-175 (1969).
2. D. Auerbach, "Supercooling and the Mpemba effect: when hot water freezes faster than cold". American Journal of Physics 63 882–885 (1995).
3. M. Jeng, "Hot water can freeze faster than cold?!?" American Journal of Physics 74, 514 (2006).

Enceladus

Enceladus é um satélite de Saturno descoberto por William Herschel em 1789. Sua órbita é muito próxima ao planeta (3,94 raios de Saturno), o que faz com que a sua observação seja bem difícil. O período orbital do satélite é de 1,37 dias. Medidas através de radiação infravermelho indicam que a superfície é composta quase que exclusivamente de gelo de água, embora haja indícios de existência de gelo de amônia. A Voyager encontrou-se com o satélite em 1981, determinando que o seu raio é de 252,1 km (atualmente acredita-se que o seu diâmetro possa ser de até 500 km), além de ter descoberto que seu albedo é bem alto, o que é consistente com uma superfície composta por gelo e neve (na verdade, é o corpo do sistema solar com o maior albedo conhecido). Alguns modelos apontam que Enceladus é o maior responsável pela existência do anel E de Saturno. Muitas hipóteses existem para explicar o mecanismo de ejeção de materiais de Enceladus para o anel E: geysers, vulcões, impactos de meteoritos, colisões entre Enceladus e o anel E, etc. A missão Cassini-Huygens, a maior missão internacional de exploração planetária - que entrou em órbita de Saturno em 01 de julho de 2004, investigou o planeta e seus satélites por cerca de quatro anos. Os resultados obtidos apontam que Enceladus é um satélite geologicamente ativo. Em particular, foi descoberto que o polo sul do satélite é uma fonte de gás e de poeira, provalmente oriundo de depressões observadas em sua superfície. O equipamento Cassini's Composite Infrared Spectrometer (CIRS) detectou emissão térmica de 3 a 7 gigawatts oriundo do polo sul do satélite. Assim, Enceladus, fora a Terra e o satélite joviano Io, é o único corpo planetário sólido que comprovadamente possui uma atividade geológica que produz calor suficiente para ser detectado por uma sonda remota.

É interessante notar que os dados conseguidos pela missão Cassini-Huygens continuam a ser estudados e diversas informações novas a respeito do satélite aparecem até hoje [atualizado em maio de 2015] na literatura especializada. Novos estudos mostram, por exemplo, que a morfologia da superfície difere fortemente de região a região do satélite, bem como a superfície de Enceladus difere bastante da superfície de outros satélites de Saturno. Também se sabe que o satélite apresenta geysers ativos localizados principalmente em grandes fraturas paralelas, batizadas de "listras de tigre" (tiger stripes); estas fraturas na superfície de Enceladus (denominadas de Alexandria, Cairo, Baghdad e Damascus) se estendem por até 100 km de comprimento, o que é uma distância considerável para a dimensão do satélite. Um registro curioso foi publicado por Martens et al. em janeiro de 2015 sobre a distribuição espacial de blocos de gelo no polo sul de Enceladus. Esses autores mapearam a localização de mais de 100.000 blocos de gelo em torno do polo sul do satélite, bem como tentaram identificar a origem dos mesmos. A partir de uma série de fotografias e com o auxílio de modelos matemáticos, os autores foram levados à conclusão de que os blocos de gelo são originados principalmente por grandes erupções criovulcânicas e por distúrbios sísmicos na superfície do satélite. 

Outras leituras:

1. J.R. Spencer et al. Cassini Encounters Enceladus: background and the discovery of a South polar hot spot, Science 311, 1401 (2006).

2. B.A. Smith et al. A new look at the Saturn system - The Voyager 2 images, Science 215, 505 (1982).
3. H.R. Martens et al. Spatial distribution of ice blocks on Enceladus and implications for their origin and emplacement, Icarus 245, 162 (2015).