Sonda Curiosity - recentes resultados publicados na Science

[Texto publicado no Universo Racionalista]

  
Entrando no clima

(Pouso da Curiosity em Marte)

                O laboratório científico de Marte (MSL - Mars Science Laboratory), acoplado na sonda Curiosity, foi lançado no final de 2011. A empreitada faz parte de um grande projeto vinculado ao programa de astrobiologia da NASA. O rover encontrou o solo do planeta vermelho em Agosto de 2012, em uma extraordinária missão executada com total sucesso durante o pouso. A sonda contém um fantástico e intrincado conjunto de equipamentos capazes de realizar estudos do solo e atmosfera do planeta, entre eles o espectrômetro de laser ajustável (ELA) e o espectrômetro de massas quadrupolar (EMQ). Embora seus nomes são um pouco  estranhos aos que não lidam com caracterização química, o objetivo, pelo menos nessa missão em Marte é simples: caracterizar a composição atmosférica atual de Marte. Nesse sentido, dois artigos complementares (Webster e colaboradores; Mahaffy e colaboradores) foram publicados recentemente na prestigiosa revista Science.

            A análise baseou-se na coleta de vários pontos experimentais durante 105 sóis marcianos (1 sol é equivalente a um dia de Marte) na cratera Gale. Segundo os dados recentes, a composição volumétrica de gases em marte é predominantemente de dióxido de carbono (CO₂), atingindo 96%. O restante é basicamente argônio (1,93%) e nitrogênio (1,89 %); o oxigênio está presente em menos de 0,15% da composição atmosférica.

Revisitando o passado

       

(Curiosity)

     A determinação dos gases constituintes em Marte não é inédita. Há mais de três décadas, a sonda Viking já tinha realizado a detecção de CO2, N2, Ar, CO e O2. A Mars Express, um orbitador espacial (portanto sem pousar na superfície), também havia mensurado a atmosfera do planeta entre os anos 03 e 05. Mais recentemente, o satélite espacial Herschel, há pouco desativado, também estudou a atmosfera marciana. Análises de gases também foram investigadas pela Mars Odyssey e a Phoenix. Qual a novidade, então, das análises resultantes da Curiosity? Basicamente, muitas medidas de composição anteriores analisavam apenas um único ou a um pequeno número de gases. Com a utilização do MSL, entretanto, é capaz de realizar medições múltiplas e com elevada precisão.

           

(Herschel)

Como valor epistêmico, os resultados da Curiosity confirmam o que os demais estudos têm mostrado, ou seja, a abundância dos quarto gases principais, sendo que o CO2 é majoritário. Os recentes resultados da Curiosity são consistentes com os dados do satélite  Herschel; o que é um fato notável pois enquanto uma análise foi realizada no solo marciano (Curiosity), a outra foi mensurada bem distante da superfície (Herschel). Talvez a diferença mais significativa entre as duas abordagens está relacionado com a determinação de misturas de CO. Isso ocorre porque pode ocorrer efeitos sazonais, bem como efeitos de superfície que podem afetar as análises no detector no MSL (o CO possivelmente pode adsorver na superfície do detector durante as noites frias, período no qual foram realizados os testes). Em conjunto, as evidências têm apontado que, ao contrário do CO, aparentemente não há variação sazonal do oxigênio na atmosfera marciana.

Perdendo atmosfera

          

(Cavidade gerada após o serviço de um dos braços robóticos da Curiosity)

  Vários outros resultados interessantes foram publicados, mas, em tentativa de priorizar, vale destacar a relevante informação trazida pela razão isotópica^(*) entre os átomos de argônio. O valor da razão ⁴⁰Ar/³⁶Ar encontrado pela Curiosity foi de 1900±300. Esse valor é conflitante com aquele encontrado pela Viking há três décadas atrás, de 3000±400.Embora destoantes, o valor dessa razão consideravelmente mais elevada do que a razão encontrada aqui na Terra, de 296. O aumento do isótopo ⁴⁰Ar em Marte tem sido interpretada como uma evidência de uma significativa perda da atmosfera marciana no seu passado primordial. Trabalhos independentes têm mostrado que o enriquecimento do ⁴⁰Ar sobre o ³⁶Ar é consistente com a hipótese da perda de atmosfera em Marte.

            A hipótese da perda de atmosfera também tem sido confirmada através da observação que uma quantidade significativa de carbono tem sido ejetada da atmosfera ao longo do tempo, resultando em uma perda preferencial do isótopo de carbono mais leve (¹³C).

Sonhos molhados

            A razão isotópica entre dois isótopos do hidrogênio, nesse caso o prótio e o deutério (P/D), permite aos cientistas inferirem sobre a origem e história planetária. A razão disso está baseada na diferença de estados energéticos do estado fundamental da água deuterada e da água construída apenas de prótio. Estudos realizados através de análises dos meteoritos marcianos ALH84001 (datado de aproximadamente 4 bilhões de anos - existe um debate polêmico deveras interessante que é obrigatório para @s astro-simpatizantes conhecerem: aqui, aqui e aqui) e o Shergotty (datado de um período aproximadamente 25 vezes mais tarde que o ALH84001, ou seja, de uma época mais recente) mostraram valores de P/D equivalente a 3000 para o primeiro e 4600 para o segundo. Esse resultado tem sido interpretado como uma evidência de dois estágios de perda de água para o espaço ao longo do tempo no planeta vermelho. Antes do pouso da Curiosity, não haviam sido realizados experimentos in situ no sentido de calcular as espécies isotópicas presentes na água. Nesse sentido, um dos grandes méritos da sonda curiosity é sua capacidade de inferir os isótopos de oxigênio no CO₂ e H₂O, e, dessa forma, fornecer pistas das complexas interações entre os reservatórios de O na hidrosfera, litosfera e atmosfera de Marte.

            Os resultados recentes obtidos pela Curiosity, sobretudo a partir dos valores da relação entre os isótopos de hidrogênio e a presença do ¹⁸O, confirmam a hipótese de que reservatórios de CO2 e H2O foram amplamente distribuídos aproximadamente 4 bilhões de anos atrás, mas a perda de atmosfera ainda pode estar acontecendo. Ainda segundo os autores:

"Nós observamos grandes enriquecimentos do isótopo pesado de Oxigênio (¹⁸O) no vapor de água atmosférica e no CO₂. Os valores de ¹⁸O observados no vapor de água são muito maiores do que aqueles observados em carbonatos e sulfatos dos meteoritos marcianos, o que sugere que o oxigênio presente no vapor de água não está em equilíbrio com a crosta, a qual poderia ter sido enriquecida em isótopos pesados através da perda da atmosférica. Outra possibilidade é de que estes isótopos pesados de ¹⁸O (aferidos no CO₂) têm sido transferidos para o vapor de água através de reações fotoquímicas na atmosfera. No entanto, os valores de ¹⁸O no CO₂ na atmosfera Terrestre são igualmente levados devido  a baixa temperatura de equilíbrio entre o CO₂, e este processo pode também estar acontecendo em Marte."

Outra possibilidade que poderia impactar nos valores da composição isotópica são as eventuais emissões de gases vulcânicos e o intemperismo ao longo do passado de Marte. Entretanto, as estimativas realizadas não são consensuais, embora esses dois fenômenos possam ter afetado significativamente a evolução química de Marte.

Depois da chuva

(MAVEN)

Em síntese, as evidências sugerem que Marte possuía uma atmosfera mais espessa que atualmente. Décadas de pesquisa apontam para uma provável existência de água na superfície do planeta no seu passado remoto. O enriquecimento de isótopos pesados é consistente com a hipótese da perda de atmosfera, e provavelmente o esgotamento dos recursos aquáticos de sua superfície. A missão da Curiosity não compreende o cálculo da taxa de escape de gases da atmosfera. Essa tarefa está planejada para a próxima missão a Marte, a chamada MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission), programada para Novembro de 2013. Como o nome sugere, a missão está sendo planejada para estudar o ritmo da perda da atmosfera marciana. Dessa forma, será possível iluminar ainda mais o conhecimento do passado e presente do planeta vermelho.

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Referências

Chris R. Webster et al. (2013). Isotope Ratios of H, C, and O in CO2 and H2O of the Martian atmosphere Science DOI: 10.1126/science.1237961
Mahaffy et al. (2013). Abundance and Isotopic Composition of Gases in the Martian Atmosphere from the Curiosity Rover Science DOI: 10.1126/science.1237966

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(*)   Isótopos são variantes de um elemento químico qualquer. O que diferencia um isótopo de outro é o número de nêutrons (localizado no núcleo do átomo). Por exemplo, o hidrogênio possui três isótopos: prótio, detério e trítio. Em todos eles o número de prótons (também localizado no núcleo do átomo) é o mesmo, enquanto que o prótio não possui nêutrons e o trítio possui dois nêutrons. Em alguns casos especiais são feitas atribuições nominais, como no caso do átomo de hidrogênio – ilustrado na figura abaixo.

                                          (Isótopos do átomo de hidrogênio. Fonte: Wikipedia)

O mesmo raciocínio vale para qualquer outro átomo. Uma vez que o nêutron está localizado no núcleo, quando esse número cresce em um átomo seu peso atômico também cresce.

Portanto, no caso da razão ⁴⁰Ar/³⁶Ar, a diferença é que o Argônio 40 tem 4 nêutrons a mais do que o Argônio 36; assim,  diz-se que o primeiro é mais pesado que o segundo. Essa é a mesma razão do termo “água pesada”, que, na verdade, é constituída por deutério. Sua fórmula molecular é igualmente H₂O, diferenciando-se pelo fato que é composto por deutério ao invés do prótio. Alguns isótopos de átomos são radioativos, como no caso de césio 137.