Jennifer Chu | MIT News
Embora a lua não tenha ar respirável, ela possui uma atmosfera muito tênue. Desde a década de 1980, astrônomos têm observado uma camada muito fina de átomos se movendo pela superfície lunar. Essa atmosfera delicada — tecnicamente conhecida como “exosfera” — é provavelmente um produto de algum tipo de intemperismo espacial. No entanto, determinar exatamente quais são esses processos tem sido difícil.
Agora, cientistas do MIT e da Universidade de Chicago dizem ter identificado o principal processo que formou a atmosfera da lua e continua a sustentá-la até hoje. Em um estudo publicado na Science Advances, a equipe relata que a atmosfera lunar é principalmente um produto da “vaporização por impacto.”
Em seu estudo, os pesquisadores analisaram amostras do solo lunar coletadas por astronautas durante as missões Apollo da NASA. Sua análise sugere que, ao longo dos 4,5 bilhões de anos de história da lua, sua superfície tem sido continuamente bombardeada, primeiro por meteoritos massivos e, mais recentemente, por “micrometeoroides” menores, do tamanho de grãos de poeira. Esses impactos constantes levantam o solo lunar, vaporizando certos átomos no contato e lançando as partículas no ar. Alguns átomos são ejetados para o espaço, enquanto outros permanecem suspensos sobre a lua, formando uma atmosfera tênue que é constantemente reabastecida à medida que meteoritos continuam a atingir a superfície.
Os pesquisadores descobriram que a vaporização por impacto é o principal processo pelo qual a lua gerou e sustentou sua atmosfera extremamente tênue ao longo de bilhões de anos.
“Apresentamos uma resposta definitiva de que a vaporização por impacto de meteoritos é o processo dominante que cria a atmosfera lunar”, diz a autora principal do estudo, Nicole Nie, professora assistente no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT. “A lua tem cerca de 4,5 bilhões de anos e, durante esse tempo, sua superfície foi continuamente bombardeada por meteoritos. Mostramos que, eventualmente, uma atmosfera tênue atinge um estado de equilíbrio porque está sendo continuamente reabastecida por pequenos impactos em toda a lua.”
Os coautores de Nie são Nicolas Dauphas, Zhe Zhang e Timo Hopp da Universidade de Chicago, e Menelaos Sarantos do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA.
Os papéis da intemperização
Em 2013, a NASA enviou um orbitador ao redor da lua para realizar um reconhecimento detalhado da atmosfera. O Explorador da Atmosfera e do Ambiente de Poeira Lunar (LADEE, pronunciado “laddie”) foi encarregado de coletar remotamente informações sobre a fina atmosfera da lua, as condições da superfície e quaisquer influências ambientais sobre a poeira lunar.
A missão do LADEE foi projetada para determinar as origens da atmosfera da lua. Os cientistas esperavam que as medições remotas da composição do solo e da atmosfera pela sonda pudessem correlacionar-se com certos processos de intemperismo espacial, explicando assim como a atmosfera lunar se formou.
Os pesquisadores suspeitam que dois processos de intemperismo espacial desempenham um papel na formação da atmosfera lunar: a vaporização por impacto e a “sputtering” iônica — um fenômeno envolvendo o vento solar, que carrega partículas carregadas energeticamente do sol através do espaço. Quando essas partículas atingem a superfície da lua, podem transferir sua energia para os átomos do solo, fazendo com que esses átomos se dispersassem e voassem para o ar.
“Com base nos dados do LADEE, parecia que ambos os processos estavam desempenhando um papel,” diz Nie. “Por exemplo, mostrou que durante chuvas de meteoritos, você vê mais átomos na atmosfera, significando que os impactos têm um efeito. Mas também mostrou que, quando a lua está protegida do sol, como durante um eclipse, também há mudanças nos átomos da atmosfera, significando que o sol também tem um impacto. Portanto, os resultados não foram claros ou quantitativos.”
Respostas no solo
Para determinar com mais precisão as origens da atmosfera lunar, Nie recorreu às amostras de solo lunar coletadas por astronautas durante as missões Apollo da NASA. Ela e seus colegas da Universidade de Chicago obtiveram 10 amostras de solo lunar, cada uma pesando cerca de 100 miligramas — uma quantidade minúscula que ela estima ser equivalente ao volume de uma única gota de chuva.
Nie procurou primeiro isolar dois elementos de cada amostra: potássio e rubídio. Ambos os elementos são “voláteis”, ou seja, são facilmente vaporizados por impactos e sputtering iônico. Cada elemento existe na forma de vários isótopos. Um isótopo é uma variação do mesmo elemento, que possui o mesmo número de prótons, mas um número ligeiramente diferente de nêutrons. Por exemplo, o potássio pode existir como um dos três isótopos, cada um com um nêutron a mais e um pouco mais pesado que o anterior. Da mesma forma, existem dois isótopos de rubídio.
A equipe deduziu que, se a atmosfera lunar consiste em átomos que foram vaporizados e suspensos no ar, isótopos mais leves desses átomos deveriam ser mais facilmente levantados, enquanto isótopos mais pesados seriam mais propensos a voltar ao solo. Além disso, os cientistas preveem que a vaporização por impacto e o sputtering iônico devem resultar em proporções isotópicas muito diferentes no solo. A proporção específica de isótopos leves para pesados que permanecem no solo, tanto para potássio quanto para rubídio, deve então revelar o principal processo que contribui para as origens da atmosfera lunar.
Com tudo isso em mente, Nie analisou as amostras da Apollo começando por triturar os solos em um pó fino, depois dissolvendo os pós em ácidos para purificar e isolar soluções contendo potássio e rubídio. Em seguida, ela passou essas soluções por um espectrômetro de massa para medir os vários isótopos de potássio e rubídio em cada amostra.
No final, a equipe descobriu que os solos continham principalmente isótopos pesados de potássio e rubídio. Os pesquisadores conseguiram quantificar a proporção de isótopos pesados para leves de ambos os elementos e, ao comparar os dois elementos, encontraram que a vaporização por impacto era provavelmente o processo dominante pelo qual os átomos são vaporizados e elevados para formar a atmosfera da lua.
“Com a vaporização por impacto, a maior parte dos átomos permaneceria na atmosfera lunar, enquanto com o sputtering iônico, muitos átomos seriam ejetados para o espaço,” diz Nie. “Com nosso estudo, agora podemos quantificar o papel de ambos os processos, afirmando que a contribuição relativa da vaporização por impacto em comparação com o sputtering iônico é de cerca de 70:30 ou maior.” Em outras palavras, 70% ou mais da atmosfera da lua é produto de impactos de meteoritos, enquanto os 30% restantes são consequência do vento solar.
“A descoberta de um efeito tão sutil é notável, graças à ideia inovadora de combinar medições de isótopos de potássio e rubídio com modelagem quantitativa cuidadosa,” diz Justin Hu, um pós-doutorando que estuda solos lunares na Universidade de Cambridge e que não participou do estudo. “Essa descoberta vai além da compreensão da história da lua, já que tais processos poderiam ocorrer e podem ser mais significativos em outras luas e asteroides, que são o foco de muitas missões de retorno planejadas.”
“Sem essas amostras da Apollo, não seríamos capazes de obter dados precisos e medir quantitativamente para entender as coisas com mais detalhes,” diz Nie. “É importante para nós trazer amostras de volta da lua e de outros corpos planetários, para que possamos desenhar imagens mais claras da formação e evolução do sistema solar.”
Este trabalho foi apoiado, em parte, pela NASA e pela Fundação Nacional de Ciências.
Reproduzido com permissão do MIT News.
