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Rotação da Terra é medida diretamente pela primeira vez

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Anel de laser

Um grupo com pesquisadores da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, tornou-se a primeira equipe do mundo a detectar mudanças no eixo da Terra através de medições em laboratório. Até hoje, os cientistas somente conseguiam rastrear as mudanças no eixo polar indiretamente, monitorando corpos celestes “fixos” no espaço com a ajuda de 30 radiotelescópios.

Para fazer uma medição direta, eles construíram o anel de laser mais estável do mundo, dentro de um laboratório subterrâneo, e o utilizaram para determinar as alterações na rotação da Terra.

Balanço de Chandler

A Terra oscila constantemente. Tal como um pião que é tocado enquanto gira, seu eixo de rotação oscila em relação ao espaço. Isto é em parte causado pela gravidade do Sol e da Lua. Ao mesmo tempo, o eixo de rotação da Terra muda constantemente em relação à superfície da Terra.

O professor Schreiber ajusta o anel de laser usado para medir as mínimas variações no “gingado” da Terra. [Imagem: TUM/Carl Zeiss]

Por um lado, isso é causado pela variação na pressão atmosférica, no movimento dos oceanos e no vento. Esses elementos se combinam em um efeito conhecido como oscilação de Chandler, ou balanço de Chandler, para criar o movimento polar. Levando o nome do cientista que o descobriu, esse fenômeno tem um período de cerca de 435 dias.

Por outro lado, um evento conhecido como o “balanço anual” faz com que o eixo de rotação mova-se ao longo de um período de um ano. Isto se deve à órbita elíptica da Terra em torno do Sol. Estes dois efeitos fazem com que o eixo da Terra migre de forma irregular ao longo de uma trajetória circular, com um raio de até seis metros.

Medindo a rotação da Terra

Capturar esses movimentos é crucial para manter um sistema de coordenadas confiável – como o GPS (Estados Unidos), Galileo (Europa), Glonass (Rússia) ou Beidou (China) – que possa alimentar sistemas de navegação ou rotas em viagens espaciais.

“Localizar um ponto no centímetro exato de posicionamento global é um processo extremamente dinâmico – afinal, em nossa latitude [na Alemanha], estamos nos movendo em torno de 350 metros a leste por segundo,” explica o Prof. Karl Ulrich Schreiber.

A orientação do eixo da Terra em relação ao espaço e sua velocidade rotacional são, atualmente, determinados em um processo complicado, que envolve 30 radiotelescópios ao redor do mundo. Toda segunda-feira e quinta-feira, entre oito e 12 desses telescópios alternadamente medem a direção entre a Terra e quasares específicos.

Conforme a Terra gira, dois feixes de laser – que formam o anel de laser – interferem um com o outro, registrando o movimento com muita precisão. [Imagem: TUM/FESG]

Os cientistas assumem que estes núcleos de galáxias, que estão distantes demais de nós, nunca mudam de posição, podendo, portanto, ser usados como pontos de referência. No entanto, eles começaram a não se satisfazer mais com tanta dificuldade e nem com a consideração da “fixidez” dos quasares. Começou então a construção do observatório geodésico Wettzell, na Alemanha.

Laboratório geodésico

O laboratório é formado por dois feixes de laser em contra-rotação, que viajam em torno de uma rota quadrada, com espelhos nos cantos, que formam um circuito fechado – daí o nome anel de laser. Quando o conjunto gira, a luz que roda no mesmo sentido tem de viajar mais do que a luz em contra-rotação. Isto causa uma interferência entre os dois feixes, que “ajustam” seus comprimentos de onda, fazendo com que a frequência óptica se altere. Os cientistas podem usar essa diferença para calcular a velocidade rotacional do experimento, mas no laboratório Wettzell é a Terra que gira, não o anel de laser.

Para garantir que somente a rotação da Terra influencie os feixes de laser, a estrutura de quatro por quatro metros está ancorada em um pilar de concreto, que se estende por seis metros para dentro da rocha sólida da crosta terrestre. A rotação da Terra afeta a luz de maneiras diferentes, dependendo da localização do laser no globo.

“Se estivéssemos em um dos pólos, a Terra e os eixos de rotação do laser estariam em completa sincronia, e sua velocidade de rotação iria resultar em uma relação 1:1,” explica Schreiber. “Na linha do equador, no entanto, o feixe de luz nem notaria que a Terra está girando.”

Os cientistas, portanto, têm de levar em consideração a posição do laser Wettzell no 49° grau de latitude. Qualquer mudança no eixo de rotação da Terra se reflete nos indicadores de velocidade de rotação – o comportamento da luz, portanto, revela mudanças no eixo da Terra.

Os cientistas precisam passar por um túnel de vinte metros, com cinco portas frigoríficas, para chegar até o laser. [Imagem: TUM/FESG]

Laboratório subterrâneo

“O princípio é simples,” acrescenta Schreiber. “O maior desafio foi garantir que o laser se mantenha estável o suficiente para medirmos o fraco sinal geofísico sem interferência – especialmente ao longo de um período de vários meses.”

Em outras palavras, os pesquisadores tiveram de eliminar quaisquer alterações na frequência que não resulte da rotação da Terra. Isto inclui fatores ambientais, como pressão atmosférica e temperatura, o que exigiu uma placa de vitrocerâmica e uma cabine pressurizada.

Os pesquisadores montaram o anel de laser em uma placa de nove toneladas de Zerodur® [uma vitrocerâmica de aluminossilicato de lítio], utilizando também Zerodur para as vigas de apoio. Eles escolheram o Zerodur por ser um material extremamente resistente às mudanças de temperatura. A instalação fica em uma cabine pressurizada, que registra mudanças na pressão atmosférica e temperatura (12 graus) e compensa automaticamente qualquer variação.

Os cientistas enfiaram o laboratório cinco metros abaixo do nível do solo para manter esses tipos de influência ambiental ao mínimo. Ele é isolado da superfície com camadas de Styrodur® e argila, e coberto por um aterro de quatro metros de altura. Além disso, os cientistas precisam passar por um túnel de vinte metros, com cinco portas frigoríficas, para chegar até o laser.

Velocímetro da Terra

Sob estas condições, os pesquisadores conseguiram confirmar o balanço de Chandler e obter medições da oscilação anual compatíveis com os dados capturados pelos radiotelescópios. Eles agora pretendem tornar o aparelho ainda mais preciso, o que permitirá determinar mudanças no eixo de rotação da Terra ao longo de um único dia.

Os cientistas também planejam tornar o anel de laser capaz de operar continuamente, para que ele possa funcionar por um período de anos sem qualquer desvio.

“Em termos simples,” conclui Schreiber, “no futuro, nós queremos ser capazes de simplesmente descer lá no porão e ver o quão rápido a Terra está girando com precisão neste momento.”

Bibliografia:

How to detect the Chandler and the annual wobble of the Earth with a large ring laser gyroscope
Schreiber, K. U., Klügel, T., Wells, J.-P. R., Hurst, R. B., Gebauer, A.
Physical Review Letters
Vol.: 107, Nr. 17, EID 173904
DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.173904

Dakir Larara

Autor: Dakir Larara

Geógrafo, Professor universitário, pai das lindas Dandara e da recém chegada Anahí e, claro, marido da amada Maíra.

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