Serguei M. Pershin
Ciência Hoje
A cooperação internacional na pesquisa do espaço exterior deu um grande passo este mês, com o pouso em Marte do módulo de superfície da sonda Mars Polar Surveyor Lander-99. Lançada pela agência espacial norte-americana (Nasa), a sonda levou um detector a laser para estudar de modo mais detalhado as partículas em suspensão na atmosfera daquele planeta.
O módulo de superfície da sonda Mars Polar Suveryor Lander-99, que pousou no dia 3 no quarto planeta do sistema solar, levando equipamentos científicos destinados à pesquisa da atmosfera marciana, da microestrutura do solo e de seus componentes voláveis, obteve um resultado inédito ainda antes de sair da Terra. Pela primeira vez em 40 anos de pesquisas no espaço cósmico, um equipamento russo – um detector de aerossóis conhecido pela sigla lidar (do inglês light detector and ranging) – integra uma sonda da agência espacial norte-americana, a Nasa.
Após uma viagem de 11 meses – a nave que carrega a sonda foi lançada a 3 de janeiro deste ano –, o módulo de pouso iniciou em local próximo ao pólo Sul de Marte (78ø de latitude Sul) uma série de estudos, a serem realizados durante os próximos três meses (no verão marciano, em condições de dia polar). O complexo científico do modulo inclui instrumentos para pesquisar a dinâmica dos parâmetros meteorológicos e os aerossóis atmosféricos – aerossóis são partículas microscópicas, sólidas ou líquidas, em suspensão na atmosfera.
O equipamento russo – o lidar de aerossol miniatura – foi escolhido para integrar o projeto da Nasa em um concurso internacional, do qual participaram aparelhos de dezenas de equipes científicas da Rússia, dos Estados Unidos e de países europeus. O concurso foi realizado em 1995, como parte do acordo de cooperação da comissão Chernomyrdin-Gore (presidida em conjunto pelo primeiro-ministro russo Viktor Chernomyrdin e pelo vice-presidente norte-americano Al Gore).
O protótipo desse lidar foi construído anos antes no Instituto de Pesquisas Espaciais da Academia de Ciências da Rússia, então dirigido por Albert Geleev, por um grupo de colaboradores daquele Instituto (Aleksei Bukharin, Vladislav Makarov e Dmitry Patsaev), sob a direção do autor, para os programas russos de pesquisa de Marte.
Esse monitoramento da atmosfera de Marte, com o lidar, na missão Mars Polar Surveyor Lander, representa a continuação lógica dos trabalhos sobre o emprego de lasers em pesquisas espaciais, por serem ópticos únicos, capazes de concentrar e transportá-la a grandes distâncias. Esses trabalhos começaram no Instituto de Pesquisas Espaciais entre 1985 e 1987, durante a preparação da missão Fobos – as sondas Fobos 1 e 2 foram lançadas em julho de 1988 para estudar esse satélite de Marte.
Uma experiência de análise a distância (com lasers) da composição isotópica dos elementos presentes na superfície de Fobos foi incluída no complexo científico das sondas Fobos. A experiência foi proposta, pela primeira vez no mundo, por Roald Sagdeev e George Managadze, da Acadêmia de Ciências da Rússia. Infelizmente, três dias antes da aproximação com o satélite de Marte, perdeu-se a comunicação com a sonda (como ocorreu em setembro último com a Mars Orbiter, da Nasa), impedindo a realização da experiência em condições reais no espaço aberto. O conhecimento adquirido e a filosofia de uso dos lasers como meio de pesquisa espacial, no entanto, permitiram a criação do lidar de aerossol com dimensões reduzidas incluído agora na sonda da Nasa.
Esse lidar apresenta alguns parâmetros recordes no peso (menos de 1kg), na resistência às variações de temperatura (pode funcionar entre -100øC e 50øC) e na economia de energia (realiza 10 sessões de sondagem por dia, gastando não mais que 0,2 watt de potência). Os componentes mais importantes do aparelho são os laser a diodo (com alta frequência de repetição dos pulsos) e o detector de fótons baseado no fotodiodo de avalanche, assim chamado porque a chegada de um fóton ao detector induz um processo de multiplicação de cargas (a ‘‘avalanche’’), que pode ser registrada pelos sensores eletrônicos. Essa avalanche ocorre a uma tensão muito baixa. Criado por cientistas da Universidade Técnica de Praga (na ex-Tchecoslováquia), o detector trabalha nas condições marcianas de baixa pressão atmosférica (de 4 a 6 mmHg – a da Terra, a nível do mar, é de 760 mmHg) sem produzir as descargas entre os eletrodos que ocorrem em circuitos de alta tensão em locais com baixa pressão do ar.
Além disso, o grupo conseguiu incluir no bloco do lidar um microfone, projetado na Universidade da Califórnia a pedido da Sociedade Planetária dos Estados Unidos. O microfone registrará informações sonoras na superfície de Marte, durante a missão, e foi instalado respeitando as severas restrições impostas pela Nasa em relação ao peso e ao consumo de energia do detectador a laser.
O funcionamento do lidar, destinado à detecção da luz retroespalhada por partículas microscópicas (aerossóis) em suspensão na atmosfera marciana, é parecido com o do radar. Este emite pulsos de feixes estreitos de ondas de rádio que, após reflexão em um obstáculo, são captadas por um receptor, permitindo determinar a posição e distância do objeto que as refletiu. O lidar emite pulsos de laser e registra os fótons refletidos pelas partículas atmosféricas – esse mesmo processo de dispersão da luz permite a alguém ver o cone luminoso dos faróis do próprio carro na neblina ou o do holofote que ilumina a bacia interior de um porto marítimo à noite.
A principal função do lidar é determinar algumas propriedades do aerossol (como a concentração das partículas e seus movimentos) na camada da atmosfera situada a até algumas centenas de metros de superfície. Espera-se que essa sondagem ativa registre os processos de estratificação da atmosfesra marciana (divisão em camadas com diferentes concentrações de aerossóis) e os momentos em que aparecem as chamadas neblinas de Marte. Essas neblinas foram observadas pelos satélites orbitais das missões anteriores àquele planeta.
O lidar também poderá ser usado em regime passivo, como um totômetro, sem a emissão de pulsos de laser, para avaliar a dinâmica da variação do brilho do céu de Marte e da radiação solar que incide na superfície do planeta. Além disso, espera-se que durante esse regime de funcionamento do lidar sejam registradas mudanças bruscas no brilho do céu, o que confirmaria a passagem na atmosfera marciana das nuvens altas detectadas durantes medições (em março deste ano) do relevo da superfície do planeta com o altímetro a laser do complexo orbital Mars Global-99.
É bem conhecido que a presença de poeira na atmosfera de Marte influencia fortemente sua transparência para os raios solares e, com isso, determina a troca de energia de radiação com a superfície. Todas as missões anteriores ao quarto planeta deram grande atenção às medições de transparência da atmosfera e às propriedades físicas dos aerossóis de Marte. Tais medições, no entanto, foram realizadas em órbita, apontando valores de transparência para toda a espessura da atmosfera (como as realizadas pelas sondas norte-americans Viking 1 e Viking 2, em 1977), ou para a órbita do planeta (pela sonda russa Fobos, em 1988). Com base nesses dados, foram retificados os modelos dinâmicos da atmosfera marciana, que permitem calcular, de modo aproximado, as condições ambientais nos locais de pouso dos módulos de superfície.
Sabe-se, através das medições anteriores, que a camada próxima à superfície tem grande importância na dinâmica da atmosfera de Marte, inclusive no surgimento de tempestades de poeira destruidoras. Dados obtidos pelas sondas Viking revelam que a temperatura, entre a superfície e a altura de 1 m, apresenta variações de até 20øC. tal diferença contribui na formação de correntes e em turbilhões que captam e levantam o pó da superfície. Esse pó muda as propriedades dispersivas da atmosfera, influenciando o balanço energético e as perdas de radiação, fatores às vezes determinantes no processo de formação dos ciclones e tempestades.
Os conhecimentos a serem obtidos com o lidar russo sobre a estrutura e a dinâmica dos aerossóis na camada próxima da superfície, complementarão os dados a respeito da atmosfera marciana a serem coletados por outros aparelhos do complexo meteorológico do módulo de pouso. Todos esses dados tornarão maisprecisos os atuais modelos dessa atmosfera e abrirão novas possibilidades de estudos sobre as tempestades e outros fenômenos atmosféricos naquele palneta. Além disso, ajudarão a responder algumas questões sobre os turbilhões e tufões da atmosfera terrestre.
O lidar da Mars Polar Surveyor Lander-99 será o primeiro equipamento russo de sondagem ativa da atmosfera marciana a partir da superfície daquele planetsa. Entre os participantes do projeto, no Instituto de Pesquisas Espaciais da Academia de Ciências da Rússia, estão ainda Viatcheslav M. Linkin, Aleksei Bukharin, Alessandr Lipatov, Andrei Liash, Vladislav Makarov, Alekssandr Tiurin e Luidmilla Khlistova. Alguns desses cientistas participaram de outros projetos espaciais russos, entre eles os que estudaram Vênus, Vênus-Galey, Marte, Fobos.
Sergei M. Pershin é membro do Instituto de Pesquisas Espaciais (da Academia de Ciências da Rússia) e da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.Sonda que pousou em Marte este mês tem, entre seus equipamentos, um detector de partículas atmosféricas e um microfone
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