NEOs e NEAs

Neste blog utilizamos as siglas NEO (Near Earth Object = Objeto Próximo à Terra) e NEA (Near Earth Asteroid = Asteróide Próximo à Terra) de forma equivalente. E embora são quase a mesma coisa, no fundo têm algumas diferenças.

NEO é qualquer objeto cuja órbita se aproxima do Sol a uma distância menor de 1,3 UA*, em termos astronômicos, seu perihélio q ≤ 1,3 UA. Os NEOs mais comúns são os cometas de periodo curto, como o Halley† cujo q=0,35 UA. Um cometa tem um núcleo de gelo (ou neve) sujo que quando se aproxima do Sol, sublima-se e forma uma nuvem brilhante chamada coma, e uma longa cauda. Na figura ao lado, obtida por Peter Stättmayer para a ESO em 1975, vemos a espetacular cauda do cometa West.

Os asteróides têm um núcleo metálico ou rochosso e não possuem a camada de gelo, portanto não produzem a coma nem a cauda. A maioria tem uma órbita menos excéntrica que a dos cometas. É interessante conhecer a origem da palavra asteróide que vem de aster = estrela. Os primeros asteróides observados, a fins do século XVII, parecíam realmente estrelas aínda para os telescópios mais poderosos de sua época, seu rápido movimento no céu os distinguia destas e por isso Friederich Wilhelm Herschel, o maior astrônomo daquele tempo, propôs diferencia-los dando-lhes outro nome que literalmente significa estrelóides ou quase estrelas‡. Os asteróides também são chamados de planetas menores, embora hoje em dia a União Astronômica Internacional (IAU) recomenda o termo pequenos corpos do sistema solar. A recomendação veio depois da criação da categoria de planeta anão para designar a Plutão. Quando o asteróide tem un tamanho menor que 10 m é chamado meteoróide e ao cair na Terra produz uma estrela cadente.

Retornando ao tema desta entrada, os NEAs são asteróides que formam um subgrupo dos NEOs, quer dizer que seu q ≤ 1,3 UA, mas talvez são mais perigosos por terem uma órbita menos excêntrica e assim ficarem mais tempo perto da Terra. Estima-se que existem uns 1.000 NEAs com um tamanho maior que 1 km cuja colisão com a Terra liberaria mais de 70.000 Megatons ameaçando a vida na Terra de forma global. Destes, 800 já foram descobertos e suas órbitas determinadas. O número de NEAs com tamanho de 100 m ou mais é estimado em 200.000. A colisão com a Terra de um destes liberaria 100 Megatons de energia. Para comparação, a bomba de Hiroshima foi 1.000 vezes mais fraca. Os NEAs são subclassificados nos grupos: Atenas, Apolos e Amor. Na foto acima, vemos o asteróide (253) Matilde, de 60 km de diâmetro, tomada desde a sonda NEAR a 2400 km de distância em junho de 1997.

Em uma entrada futura falaremos sobre como pode ser desviada a rota de um NEA. E também do interés que têm para a astronomia como objetos de estúdio além do perigo que representam.

* UA = unidade astronómica, equivalente à distancia média Terra - Sol e de valor igual a 150 10⁶ km.

† Edmond Halley (1656-1742) foi quem percebeu que o cometa observado em 1682 era periódico e retornaría em 1758. Seu contemporâneo e amigo Isaac Newton (1643 - 1727) utilizou por primeira vez sua Teoria da Gravitação sobre o cometa e assim mostrou a correção de seus cálculos.

‡ Uma historia semelhante têm os Quasars = quasi stellar objects. Quando foram descovertos pareciam estrelas, dai o nome. Hoje sabemos que são galáxias de núcleo ativo muito distantes de nós.

A escala de Palermo

Comentamos já que além da escala de Torino, existe outra, mais técnica, chamada de Palermo. Esta mede a probabilidade de que um NEA colida contra a Terra, relativa à probabilidade esperada de que isto possa acontecer, e introduz um elemento que Torino não tem: o tempo. Vamos explicar isto.

As órbitas dos asteróides têm incertezas o que resulta em que existem muitas órbitas possíveis. Algumas delas podem coincidir com a Terra, outras não. Um valor da probabilidade de que o impacto possa acontecer obtem-se, por exemplo, por meio da divisão: órbitas que colisionam / total de órbitas.

A probabilidade esperada (técnicamente chamada background risk) é baseada na história da Terra, a partir dos registros geológicos, e nos diz qual é a probabilidade de que um asteróide de um tamanho determinado possa colidir com a Terra. Como a colisão do NEO com a Terra demorará um certo lapso, a probabilidade esperada mede a probabilidad de que no mesmo lapso outro asteróide chegue a chocar a Terra.

A escala é contínua e pode tomar tanto valores negativos como positivos. Em geral, quanto mais negativo o valor, menos chances tem o objeto de chocar com a Terra. Um valor maior a -2 merece atenção. Quando chega a 0 tem uma chance igual à probabilidad esperada de chocar com a Terra. Acima de +2 o risco é sério. O famoso Apophis atingiu em seus piores dias um valor igual a 1,10, porém hoje seu valor é -2,52 enquanto que 1950 DA tem um valor de 0,17 para sua colisião de 2880.

Não exite uma maneira fácil de comparar as escalas de Torino com a de Palermo. Ambas têm objetivos diferentes. A primeira pretende comunicar de maneira didática ao público leigo o perigo de uma colisão. Palermo é mais quantitativa e é utilizada por astrônomos, mas em termos gerais, um valor de Palermo menor o igual a -2 equivale a um Torino 0.

Detalhes Técnicos

Para quem quer entender um pouco mais como se calcula a escala de Palermo dou aqui algumas fórmulas.

Probabilidade esperada: P_e = 0,03 × E^-0.8 (E é a energia em Megatons).

Escala Palermo: EP = Log₁₀ (P_i/ ( P_e × T) ) (T é o lapso até a colisão acontecer).

A escala é logarítmica, o dobro significa 10 vezes mais. De acordo com esta definição, quando EP é igual a -2, a probabilidade de impacto é 1% da probabilidade esperada. Quando EP = 0, as probabilidades são iguais, entanto que um valor EP=2, indica uma probabilidade 100 veces maior.

Raios que Nublam (ST)

Sabemos que as núvens são produzidas pela condensação do vapor de água na atmosfera. E que o vapor se forma pela evaporação das aguas da superfície terrestre. No entanto, para o proceso ter sucesso são necessários muitos núcleos de condensação, pequenas partículas chamadas aerossóis, sem elas la umidade pode atingir até um 500% sem que o vapor se transforme em água.

Na década de 1970, R. Dickinson especulou com que os raios cósmicos poderiam aumentar o número de núcleos de condensação e portanto favorecer a formação de núvens. A ideia é simples: os raios cósmicos ionizam o ar tornando-o mais efetivo para gerar núcleos de condensação. Assim quantos mais raios cósmicos, mais núvens.

Qué são, de onde vêm os raios cósmicos? São partículas subatómicas (elétrons, néutrons, prótons, também podem ser íons como as partículas α) que têm muita energia e por isso, são capazes de ingressar na baixa atmosfera terrestre. Ali ionizam os gases que se tornam centros de nucleação dos aerossóis que em definitiva produzirão a condensação do vapor. Ionizar significa cambiar o balanço de cargas da matéria, normalmente néutra. Desta manera o ar torna-se positivo ou negativo, o que lhe dá uma força de atração que os núcleos néutros não possuem incrementando sua efetividade. Os raios cósmicos mais energéticos são produzidos durante explosões de estrelas chamadas Supernovas, alguns vêm de fora de nossa galáxia. O Sol as vezes cria raios cósmicos, embora de menor intensidade. Existe uma relação bem conhecida que mostra que quando o Sol aumenta sua atividade, diminuem os raios cósmicos galáticos e extragaláticos. Isto explica-se através do vento solar, cuja intensidade aumenta com a atividade do Sol. Quando o vento é muito intenso, consegue desviar de seu caminho muitos raios cósmicos externos fazendo de escudo e, apesar de que também aumenta o bombardeio dos raios cósmicos solares, estes têm menor energia e seus efeitos são menores.

Então o ciclo é: menor atividade solar, maior intensidade de raios cósmicos, maior quantidade de aerossóis e maior quantidade de núvens. Em 2000 um estudo feito por Marsh e Svensmark mostrou esta relação de forma muito clara, porém posteriormente a metodologia utilizada foi questionada.

A quantidade de núvens é importante como fator de mudança climática porque aumenta a reflexão da luz solar e assim diminui a quantidade de calor que chega à superfície da Terra o que resulta em uma redução da temperatura*. Aparece assim uma conexão entre atividade solar e clima terrestre que, embora indireta, pode chegar a ser muito efetiva. Os meteorologistas afirmam que a conexão entre raios cósmicos e formação de núvens aínda deve ser demonstrada já que os modelos teóricos não são completos e os estudos estatísticos insuficientes.

O debate está aberto. Entretanto, é importante ver a história da Terra em sua totalidade. Não podemos esquecer que uns vinte mil anos atrás, a temperatura média do planeta era vários graus mais baixa que a atual. A razão disto é aínda discutida, mas sem dúvidas não teve origem na incipiente atividade do ancestral do homem.

* Existem núvens que criam o efeito contrário porque aprisionam o calor emitido pela Terra e então incrementam o efeito estufa. Que uma núvem seja de um tipo ou de outro, depende de sua altura, tamanho e do estado da água dentro dela: líquido ou sólido.

A Escala de Torino

Falamos bastante sobre Apophis e suas possibilidades de colisão com a Terra, o asteróide que alguma vez foi Torino 4 e agora é Torino 0. De fato este Blog chama-se Torino 0 e é simbolizado pelo gráfico que representa a Escala de Torino, mas ainda não explicamos o que é, o que mede e para que serve a tal da escala. Vamos agora discutir as ideias básicas.

Quando queremos caracterizar a colisão entre um objeto próximo à Terra ou NEO (do inglês near Earth object, também é usado NEA= near Earth asteroid ) devemos considerar dois aspectos. Por um lado a energia que poderia liberar na colisão, por outro a probabilidade de que a colisão venha de fato a acontecer. A energia a liberar é simplesmente a energia cinética do asteróide (lembrem, é a metade da massa vezes a velocidade ao quadrado). Em média todo asteróide que passa perto da Terra tem a mesma velocidade (porque ela depende de sua distância ao Sol maiormente) e como também todos têm densidades semelhantes, sabendo o tamanho (para calcular o volume) é suficiente para termos uma ideia da energia a ser liberada. O tamnho se converte então em um proxy da energia. Respeito ao segundo aspecto, por qué fala-se em probabilidade se a astronomia ou melhor a mecânica celeste são ciências exatas? É que os objetos pequenos têm órbitas complexas ao sofrer mais da influência de muitos objetos, não apenas do Sol e planetas maiores. Outro inconveniente é que sendo muito pequenos são difíceis de observar. Somados ambos os fatos dão que suas órbitas calculadas não são traços finos mas bandas que indicam a probabilidade por onde eles poderiam passar. A medida que o tempo passa, muitos dos parâmetros orbitais são melhor conhecidos, a banda vai estreitando e então pode prever-se sua órbita con maior precisão.


Na figura ao lado, reproduzida da Wkipedia, temos a Escala de Torino completa. No eixo horizontal (abscissas) está a probabilidade do impacto acontecer, enquanto que no eixo vertical (ordenadas) do lado externo, é a energia cinética do objeto e do lado interno o tamanho. Para faze-la mais visual, a escala foi dividida em 11 setores, numerados de 0 a 10 e a cada setor lhe foi assignado um nível de importância qualitativa e uma cor para indicar sua periculossidade. Notar que muitas importâncias (rating em inglês) têm uma distribuição em diagonal, sendo que 0 pode representar tanto um objeto grande sem probabilidade de colisão quanto um objeto tão pequeno que apesar de ter 100% de chances de chocar com a Terra não traria dano nenhúm. Até agora, do meu conhecimento, Apophis foi o NEO que teve o nível mais alto, gerando um alerta amarelo. Quando o conhecimento de sua órbita melhorou, voltou à região branca da escala. Hoje em dia, dos 190 asteróides próximos vigiados pela NASA, apenas um, o 2007 VK184 é Torino 1.

Um caso estranho é o asteróide 1950 DA, descoberto no ano de 1950, desaparecido e reencontrado em 31 de dezembro de 2000*. A órbita deste asteróide é muito bem conhecida e por isso pode ser prognosticada con muita antecipação. Pois bem, em 16 de março de 2880 o asteróide fará uma passagem muito próxima à Terra, con uma chance de 1 em 300 de colisão. Este é um dos primeiros candidatos a ser removido, quando acharmos uma tecnologia eficiente. Para mais informações sobre 1950 DA, visitar o site da NASA.

Não vamos nos extender detalhando cada um dos níveis de importância da Escala de Torino, podem acha-las aqui. No entanto vamos comentar as unidades de energia utilizados na escala, os Megatons (MT). Um megaton equivale à energia liberada por uma bomba de un milhão de toneladas de TNT ou 10¹⁵ Joules. A bomba de Hiroshima liberou uns 10 kilotons, ou seja um centésimo deste valor aproximadamente†.

A Escala de Torino foi criada por Richard P. Binzel do MIT, apresentada em 1995 e revisada em ocasião de uma conferência na cidade de Turím‡ em 1999 de onde deriva seu nome. Existe outra escala mais precisa, porém também menos gráfica e que recebe o nome de um outro lugar conspícuo na península italiana, Palermo.


* Uma extranha coincidência lhe dá uma aura especial. Foi reencontrado na última noite do milênio 1000 e exatamente 200 anos depois da descoberta do primeiro asteróide entre Marte y Júpiter, hoje conhecido como Ceres.

† A comparação nem sempre é correta porque os danos causados por uma explosão nuclear vão além da energia liberada subitamente, e envolvem a radiação ionizante que destroi a vida e seus efeitos perduram por muito tempo.

‡ Eu preferi manter a escrita italiana para a cidade, por isso é Escala de Torino e não Escala de Turim.

O vento que empurra Apophis

Diariamente, segundo após segundo, o Sol irradia uma grande quantidade de energia. Dela dependemos integralmente na Terra. A quantidade de energia que o Sol emite é imensa, astronómica, em definitiva. A expressamos assim: 4 × 10²⁶ Watts (= Joule/s). Este número, o leitor sabe, escrebe-se como um 4 seguido de 26 zeros. Poderiamos dar-lhe um nome , algo assim como 400 quadrilhões de quadrilhões de Watts, mas isso não nos daria uma melhor impressão do que estamos falando. Também não existe nada na Terra que possa ser comparado com esta infinita quantidade de energia. Hidrelétricas (Itaipú apenas libera 1,2 × 10¹⁰ Watts), reatores nucleares, armas atómicas, volcanos , terremotos ou furacanes. Nada é comparável com a energia que segundo a segundo libera nossa estrela central. Tanta energia liberada deve trazer consequências sobre os objetos que giram em torno de ela. O exemplo mais obvio: toda a beleza de nosso planeta azul depende de tomar una porção muito pequena da energia solar. Mas há outros efeitos que não sempre são considerados. Um deles é que a luz pode exercer una pressão sobre os objetos, atuando como uma espécie de força mecânica que muda a direção do movimiento e os acelera. Embora os detalhes de este efeito necesitam de um profundo estudo que nos leva pelos arcanos da teoria eletromagnética e a mecânica quântica, podemos fazer algumas contas para termos uma ideia do impacto da luz do Sol sobre Apophis, nosso asteroide destrutor.

A órbita de Apophis é uma elipse que se passeia entre Vênus e a Terra. Ou seja que podemos considerar que a distância média de Apophis ao Sol é a média das distâncias Vênus-Sol (0,7 UA) e Terra-Sol ( 1,0 UA) onde UA significa Unidade Astronômica e tem o valor de 1,5 × 10¹¹ m (ou 150 milhões de km, preferimos sempre usar metros para permanecer no Sistema Internacional de medidas). Então Apophis se encontra a 0,85 UA, ou 1,275 × 10¹¹ m. Vamos dividir o valor da energia irradiada pelo Sol a cada segundo pela área total de uma esfera de raio igual à distância média que se encontra Apophis do Sol. O resultado nos dirá quuanta energia por segundo e por unidade de área temos disponível à distância do asteroide. A superfície de uma esfera é igual a: A = 4 π r²= 2 × 10²³ m² no caso da órbita média de Apophis. Ou seja que temos uma energia média de 1.960 W/m². Por outra parte como Apophis tem um diâmetro de 250 m, a aéra exposta à radiação é de 49.000 m² e portanto a energia total recebida é igual ao produto 1.960 × 49.000 = 9,6 × 10⁷ W.

Para se ter uma noção do que representa esta energia vamos a integrar ao longo de uma órbita do asteroide. Quer dizer, vamos a multiplicar o número de segundos que tem un ano de Apophis por essa quantidad de energia por segundo. O período apophiano é de 320 dias terrestres aproximadamente, o que representa uns 2,7 × 10⁷ segundos. Então, em um ano Apophis recebe uma energia igual a 2,2 × 10¹⁵ Joules (ao multiplicar os Watts pelos segundos obtivemos Joules). O número parece grande, mas lembrem do cálculo que fizemos na entrada sobre o inseto que bate em Apophis, ali mostramos que a energia cinética de Apophis é igual a 9,6 × 10¹⁸ Joules. Ou seja, umas 3.500 veces maior. Na verdade teriamos de comparar com a energia total de Apophis, que é igual à soma da energia cinética mais a energia potencial. Esta última define-se como o produto da constante de Newton (6,67 × 10^-11 N m²/kg²) pela massa do Sol, a massa de Apohis e dividido pela distância ao quadrado. O resultado é -2 × 10¹⁹ Joules (por convenção a energia potencial é negativa). A energía total é então igual a -1 × 10¹⁹ Joules. O sinal negativo indica que Apophis está ligado ao Sol, sua órbita é fechada, e não pode escapar. A energia total é então umas 4.200 vezes maior que a recebida por radiação.

Apesar de que a relação é bastante grande e o efeito poderia se considerar pequeno, é justamente um dos fatores que mais complicam o cálculo acurado da órbita do asteroide porque é um efeito constante. Mas aínda não discutimos a forma em que a interação acontece. Ou seja, nem toda a luz se converte en uma ação mecânica, uma parte deve estar aquecendo o asteroide, por exemplo. A exata proporção que é absorbida (como calor) e a que é refletida produzindo o efeito mecânico, é ainda desconhecida. Espera-se que a partir de 2011 quando novas e melhores medidas venham a ser realizadas a predição melhore também.

A pressão de radiação sobre Apophis equivale a 6 milhonéssimos de Pascal o 6 μ Pascais (100.000 Pascais é aproximadamente a pressão atmosférica no nível do mar na Terra). Aqui não consideramos ainda outra forma de energia emitida pelo Sol e que é puramente mecânica. Trata-se da matéria que o tempo todo o Sol está ejetando de sua superfície. Esse é o chamado Vento Solar que pode ter tempestades criando distúrbios fora de casa, no terraço de nossa Terra onde habitam os satélites de comunicações e climatológicos, dentre outros. Este vento também empurra Apophis fora de sua órbita com uma intensidade da órdem dos nano Pascais, ou mil vezes menor que a pressão de radiação solar (para mais informações sobre o vento solar, podem consultar a página do experimento Wind da NASA). Embora o efeito é ainda menor, também é levado em consideração pela NASA para calcular os desvios na órbita de Apophis.

Tem ainda outros efeitos minúsculos também inclusos. Por exemplo, quando Apophis passa perto da Terra ou de Vênus, o campo gravitatório destes é muito grande (comparado ao próprio) e por esse motivo consideram-se efeitos relativísticos. A interação entre Apophis e outros objetos que orbitam em torno do Sol tampouco pode ser desprezada. Enfim, é um cálculo complexo que se faz por meio de computadores.