Dez 06

Trovoadas provocam reacções nucleares!

Descoberta que as trovoadas despoletam reacções nucleares naturais proporciona novos conhecimentos sobre a Física da Electricidade Atmosférica e expõe uma causa natural até hoje desconhecida de formas radioactivas de elementos (isótopos) na Terra.

Leonid Babich, do Centro Nuclear Federal Russo, que trabalha no Instituto de Pesquisa de Física Experimental deste Centro, anunciou esta formidável descoberta na prestigiada Revista Científica Nature, que gentilmente cedeu permissão para que os leitores do AstroPT pudessem aceder a esta descoberta e à sua explicação.

Créditos : Nature
Enoto, T. et al. Nature 551, 481–484 (2017).

Legenda do Diagrama :

O cientista japonês T. Enoto e a sua equipa relataram evidências conclusivas de que as trovoadas podem induzir reacções nucleares na nossa atmosfera. Por exemplo, os autores descobriram que uma trovoada pode radiar um raio gama (γ-ray) de alta energia que arranca um neutrão dum núcleo de Azoto-14 (14N), gerando um isótopo instável de Azoto-13 (13N). Este isótopo decai para um neutrino, um positrão ( a anti-partícula dum electrão) e ainda para um núcleo estável de Carbono-13 (13C). Por fim, o positrão aniquila-se quando colide com um electrão (têm cargas eléctricas opostas), a si mesmo e ao electrão oriundo duma molécula atmosférica, e essa colisão produz um par de raios-gama (setas amarelas curvilíneas à direita no diagrama), cada qual com o nível de energia característico dum electrão (0,511 MeV).

As trovoadas são um dos fenómenos naturais mais espectaculares. Há quase um século (em 1925), sugeriu-se que os campos eléctricos muito intensos gerados nas trovoadas poderiam acelerar electrões na atmosfera e induzirem reacções nucleares. Contudo, estes mecanismos têm-se revelado difíceis de se demonstrarem experimentalmente. Enoto logrou obter a primeira evidência observacional conclusiva para reacções nucleares produzidas nas trovoadas – com implicações no nosso conhecimento sobre a atmosfera da Terra e da sua composição isotópica.

A ideia de que as trovoadas possam gerar reacções nucleares foi proposta pela primeira vez em 1925 na Universidade de Cambridge pelo Físico e Meteorologista escocês Charles Wilson.

Mas, à época, o estado de desenvolvimento da Física não permitia a Charles Wilson consubstanciar esta ideia com uma descrição dum mecanismo completo.

Por exemplo, sabemos hoje que um neutrão é um dos vários produtos resultantes das reacções nucleares, logo a detecção duma destas partículas compostas (por outras partículas, os quarks) numa trovoada seria evidência para a proposta de Wilson, mas aconteceu que os neutrões só foram descobertos mais tarde, por James Chadwick, em 1932.

As trovadas ocorrem nas camadas inferiores e mais densas da atmosfera. Nestas camadas os electrões colidem frequentemente com as moléculas, resultando ficarem sujeitos a uma intensa força de arrastamento oposta ao seu movimento.

A proposta de Charles Wilson implicava que os electrões tivessem energia inicial suficiente para ultrapassarem esta força.

Einstein e Pitágoras apoiam Charles Wilson!

Actualmente sabe-se que os raios cósmicos que irradiam a atmosfera produzem este tipo de electrões, (que são relativistas, ou seja, se movem a pelo menos ~40% da velocidade da luz no vácuo, a “c” da famosa equação da equivalência do momentum entre massa e energia, a simplificada E=mc^2).

A equivalência E=mc^2, note-se, exprime a capacidade da energia sob a forma da matéria (por exemplo os electrões) se transformarem em energia sob a forma de luz (por exemplo em raios-gama), mas esta versão famosa aplica-se para partículas com momentum zero. Se estas partículas, como é o caso, têm um momento muito elevado (movem-se perto da velocidade da luz) teria que se introduzir a versão com o termo “p,” de momentum, e de o elevar ao quadrado.

Como esta sustentação matemática é deslumbrante como a luz e consistente como a matéria (são 2 formas da mesma entidade, a energia) podem ver melhor a sua geometria à luz do Teorema de Pitágoras, e os limites das sua elasticidade, porque “c” é a hipotenusa, e “m” (massa) e “p”(movimento) são os catetos.

Pitágoras de Siracusa
Dizia assim para os seus netos
O quadrado da hipotenusa
é igual à soma do quadrado do catetos.

O que se pode traduzir por…

(Num triângulo rectângulo) A hipotenusa nunca é maior do que a soma dos catetos. A partir daí o elástico parte-se, o triângulo deixa de ser rectângulo.

No dia a dia, a luz acesa (em acção, cinética) duma lanterna de bolso consome a energia sob a forma de matéria armazenada (potencial) nas pilhas, e podem verificar que assim é porque se se esquecerem da lanterna acesa a noite toda no dia seguinte de manhã as pilhas estão gastas e a lanterna está muito mais leve.

E nas trovoadas?

Os electrões relativistas multiplicam-se nas nuvens das trovoadas e formam uma avalanche de electrões de alta energia. Mas, em meados da década de 1920 os raios cósmicos eram extremamente misteriosos e pensava-se que tinham origem terrestre.

A primeira observação de neutrões originados numa trovoada veio a ser publicada na revista científica Nature em 1985.

Estas observações foram efectuadas nos Himalaias, que é uma região onde as trovoadas têm uma actividade extremamente elevada com cerca de 30 relâmpagos por dia.

No final dos anos 1990 já tinham sido reportadas observações destes neutrões originadas nas trovoadas um pouco por todo o mundo.

Plasma das trovoadas? Ou não…

Contudo, os detectores não logravam distinguir neutrões doutras partículas tais como electrões ou fotões de alta energia dos raios-gama, já que os 3 produziam impulsos eléctricos idênticos nos detectores. Poderiam ser os neutrões, salvo 2 equívocos. Em suma esta linha de evidências era consistente mas non troppo.

O mecanismo subjacente também se revelava incompleto (ou mesmo incorrecto) já que ao tempo se pensava que os neutrões arrancados dos núcleos dos átomos por indução das trovoadas seriam produzidos por uma reacção nuclear em que 2 núcleos do Deutério (uma forma, ou isótopo, de Hidrogénio popularmente conhecido como “água pesada,” que tem 1 neutrão) entram em fusão no plasma originado pelos relâmpagos para formarem um núcleo de Hélio e 1 neutrão. No entanto veio-se a verificar que as condições físicas dum plasma deste tipo não permitiam a ocorrência desta reacção.

A Ciência Aeronáutica e Espacial revela o mecanismo.

Em vez dos neutrões, a avalanche de electrões de alta energia gerada nas nuvens durante uma trovada emite fotões de raios-X e de raios-gama.

Estes fotões tinham sido detectados desde finais da década de 1980 por aviões que voavam dentro das nuvens das trovoadas (os aviões estão a salvo mesmo quando atingidos directamente por um relâmpago) e por satélites artificiais de órbita de baixa altitude, até cerca de 500 Km acima da superfície da Terra.

Estes fotões têm níveis de energia que chegam às centenas de mega electrões-volts (MeV).

Os electrões de alta energia, e os fotões de raios-gama a partir de 10 MeV, conseguem arrancar neutrões do Azoto-14 (Nitrogênio-14, no Brasil) atmosférico e dos núcleos do Oxigénio-16 através:

1) da electro desintegração, no caso dos electrões.

2) das reacções foto-nucleares, no caso dos raios-gama.

Apesar da capacidade das trovoadas de isolarem neutrões por via destas reacções foto-nucleares tenha sido demonstrada por recurso a simulações computacionais, faltavam ainda evidências directas experimentais.

Em vez de se focar nos neutrões, a equipa de investigação liderada por Enoto consideraram os demais produtos das reacções foto-nucleares do Azoto-14 e do Oxigénio-16.

Ou seja, os instáveis isótopos Azoto-13 (N13, como no diagrama acima neste post com o relâmpago) e Oxigénio-15.

Estes isótopos decaem ao fim de alguns minutos para núcleos estáveis de Carbono-13 e de Azoto-15, emitindo ainda 1 neutrino e 1 positrão (a anti-partícula do electrão).

Finalmente, o positrão aniquila-se quando colide com um electrão das moléculas atmosféricas e emitem um par de raios-gama.

Dado que tanto o positrão como o electrão têm massas (expressas em unidades de energia) de 0.511 MeV, cada raio-gama emitido tem uma energia de 0.511 MeV.

Assim, para se confirmar a existência destas reacções foto-nucleares, os autores precisavam simplesmente de identificar uma linha desta energia no espectro alargado de todos os raios-gama.

Ao largo do Mar do Japão.

Para este fim, Enoto e a sua equipa de investigadores levaram a cabo uma série de observações no Mar do Japão. Esta expedição procurava emissões de raios-gama emitidos por trovoadas invernais de nuvens baixas que ocorrem nos céus ao largo da costa do Japão.

A 6 de Fevereiro de 2017, detectaram um flash intenso de raios-gama que durou menos do que 1 milissegundo e que conseguiram associar a um relâmpago. Após o flash inicial de raios-gama, os cientistas observaram uma linha prolongada de raios-gama com um nível de energia de 0.511 MeV, que perdurou quase por 1 minuto.

Esta linha é uma indicação conclusiva da aniquilação mútua positrão-electrão, e representa evidência inequívoca de que as reacções foto-nucleares são despoletadas pelas trovoadas.

A descoberta de Enoto e dos seus colegas é importante dado que revela uma nova fonte natural de isótopos na nossa atmosfera, uma fonte que se adiciona à da irradiação da Terra por raios cósmicos.

Estes isótopos incluem o Azoto-15, o Carbono-13 e o Carbono-14, sendo que este último é muito utilizada na radio-datação de artefactos e de obras de arte arqueológicas.

De facto, a contribuição das trovoadas para a abundância do Carbono-14 na Terra pode ser comparada com a dos raios cósmicos nalgumas regiões do nosso planeta.

No futuro pretende-se confirmar com mais estudos se as trovoadas produzem outros isótopos, porventura de Hidrogénio, de Hélio e de Berílio.

Note-se que temos então uma fonte de origem terrestre e outra de origem extra-terrestre.

E que esta fonte terrestre foi detectada a partir da superfície dum mar tempestuoso.

Confirmação independente a partir do espaço.

Créditos:
NASA/Goddard Space Flight Centre/J.Dwyer, Florida Inst. of Technology.

1 – Os campos eléctricos no topo da tempestade geram uma avalanche de electrões que se expande para cima. Quando as suas trajectórias são desviadas pelas moléculas do ar, estes electrões emitem raios-gama, que são a forma de luz de mais alta energia.

Estas imagens baseiam-se numa simulação de TGF desenvolvida por Joseph Dwyer no Florida Institute of Technology.

TGF significa “Terrestrial Gamma-Ray Flare.”

Esta primeira imagem, à esquerda no diagrama, segue as trajectórias dos raios-gama e a das partículas da matéria dum TGF com a duração, neste instante, de 0.2 milissegundos e que se desencadeou a uma altitude de 15 Km.

2 – Quando a energia dos raios-gama colide com os electrões, estes aceleram para perto da velocidade da luz. Alguns raios-gama passam perto dos núcleos de átomos constituintes da “atomos-esfera.” Quando isto sucede os raios-gama transformam-se em electrões e na sua anti-partícula, o positrão.

Estes electrões e positrões de alta energia escapam para o espaço impulsionados numa espiral pelo campo magnético da Terra.

Nesta segunda imagem, o TGF tem agora 1.4 milissegundos de existência.

3 – O TGF já existe há 1.98 milissegundos, e o feixe de electrões/positrões alcança altitudes onde pode interceptar veículos espaciais, entre os quais o telescópio Fermi de Raios-gama.

Um dos instrumentos a bordo deste telescópio espacial, o Gamma-Ray Burst Monitor, detecta um sinal característico da aniquilação dum positrão. Quando um positrão colide com um electrão no telescópio/satélite, estas 2 partículas fundamentais transformam-se em raios-gama.

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As reacções nucleares induzidas pelas trovoadas podem ocorrer nas atmosferas doutros planetas, a exemplo de Júpiter e de Vénus, e podem assim contribuir para a composição isotópica das atmosferas desses planetas. Contudo, determinar a magnitude desta contribuição exige observações detalhadas de raios-gama e de neutrões originados em trovoadas nestes planetas.

Note-se que já foram observadas trovoadas nas atmosferas destes dois planetas, mas não a este nível de detalhe minucioso e específico.

Outra implicação da descoberta de Enoto e do seu grupo de investigação é que os neutrões são formados fora do plasma gerado pelos relâmpagos, o que sugere que estes neutrões serão incapazes de fornecer dados sobre este plasma, ao contrário das expectativas de outrora.

É que, em Ciência, é tão importante a descoberta dum novo mecanismo como a indicação, ou o alerta, de um falso positivo.

Relâmpagos originados numa erupção do Monte Etna, na Sicília.


Agradecimentos:

À tempestade que se abateu sobre a região onde vivo, com particular agradecimento ao raio que rebentou com enorme estrondo na minha casa, queimando 1 TV, 1 Box, 1 router de Internet, o lacete local e o monitor plasma da vizinha, que ficou mais parecido com uma árvore de Natal. A energia eléctrica só foi restabelecida passadas mais de 19 horas.

Gerou-se algum pânico, bem controlado com um belo grito, mas ficou a consolação que, do galinheiro, sortiram uns 17 ovos, aos contrário dos 6/7 habituais.

E, é curioso, o cão e o gato, normalmente sempre em ressonantes guerras de alecrim e de manjerona, se anicharam juntos em proteção mútua.

Teremos, num ínfimo momento muito muito curto, sido irradiados por uma emissão de raios-gama.

Teria incluída uma linha de 0.511 MeV, a massa invariante dum electrão?

O positrão tem a mesma massa, e o mesmo spin de ½ , apenas difere da sua anti-partícula por ter carga eléctrica positiva (+1), já que o electrão tem carga de -1.

As trovoadas libertam tanta energia como um furacão tropical ou um pouco mais do que a bomba Atómica de Urânio de Hiroxima.


Agradecimento formal:

Ao Professor Raphael Tellis, Físico nuclear, por ter apontado a documentação desta descoberta fundamental sobre a composição da nossa atmosfera a partir de reacções nucleares de origem natural.

À Bioquímica Ana Pereira, ao Astrónomo Rui Costa e aos Professores Alvaro Folha e Carlos Daniel Abrunheiro pelo debate suscitado, que logo verteu para mecanismos bio-químicos e biológicos, para mecanismos que, numa ordem de grandeza muito mais pequena, existem ao nível celular e molecular em muitas formas de vida, e deixarem a dúvida extremamente pertinente se não teria sido descoberto um dos mecanismos que despoletaram a vida, tal como a conhecemos, na Terra.

Talvez um dia descobriremos, de vida fora da Terra.

2 comentários

  1. Grande descoberta!!!

    Mas os melhores parágrafos são, sem dúvida, os primeiros a seguir aos “Agradecimentos”… ehehehehe 😀

  2. Um artigo excelente, como é habitual, Manel.
    A parte final dos agradecimentos pode suscitar muitas duvidas nos leitores que não tenham seguido a discussão num outro local da blogosfera e merece o devido enquadramento.

    O surgimento da vida na Terra terá sido precedido de um longo período de evolução química. Na atmosfera primordial, de composição muito diferente da actual, não existiria oxigénio livre (O2) em quantidade significativa. Não existindo O2, também não existia uma camada de ozono (O3) que protegesse a superfície do bombardeamento de raios cósmicos e dos perigosos raios ultravioleta (UV) provenientes do Sol. Por este motivo, a vida surge e desenvolve-se em meio aquoso, nos mares.
    Só muitos milhões de anos mais tarde, quando surgem as primeiras cianobactérias e algas marinhas capazes de elaborar a sua própria matéria orgânica e de produzir oxigénio, através de um processo designado por fotossíntese, se pode iniciar um longo processo que leva ao enriquecimento da atmosfera com O2 e, na alta atmosfera, se forma uma ténue mas essencial camada de O3, que filtra os perigosos raios UV do Sol e permite que a vida saia dos mares e conquiste os continentes e ilhas.
    A questão da vida levou-nos a especular acerca da possibilidade de este mecanismo agora comprovado, também poder contribuir, tal como a radiação que nos chega do espaço, paraa evolução química que levou à acumulação de compostos orgânicos nos mares, como mais tarde, para provocar ocasionais mutações ao nível do ADN das células dos seres vivos, sendo assim um agente mutagénico que tem contribuído, desde sempre, para a enorme diversidade de seres vivos que existem e existiram ao longo dos milhares de milhões de anos que a vida tem na Terra…

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