por Ralph Lorenz e Christophe Sotin
Ron Miller
Era uma noite escura e tempestuosa em Titã. Mas frequentemente é assim. Uma neblina espessa e fumacenta está em toda parte, obscurecendo o Sol e Saturno. A distância, a chuva cai torrencialmente.
Se não soubéssemos que as imagens vieram de Titã, poderíamos pensar que fossem de Marte ou mesmo da Terra. Algumas pessoas na sala de controle viram a costa da Califórnia, outras, a Riviera Francesa, e uma dela disse que a maior lua de Saturno parecia seu quintal em Tucson. Por três semanas, a sonda Huygens ficou à deriva, dormente, após se desprender da espaçonave Cassini e ser mandada a caminho de Titã. Assistindo às cenas ansiosamente, sentimos profunda conexão com a sonda. Não apenas havíamos trabalhado na missão durante grande parte de nossa carreira, mas desenvolvemos seus sistemas e instrumentação, pondo nossa mente em seu lugar para imaginar como ela funcionaria em um mundo alienígena e desconhecido. Imaginávamos que Titã fosse parecida com as outras grandes luas do Sistema Solar exterior, como Calisto, cheia de crateras, ou como Ganimedes, repleta de ranhuras.
E assim, em 14 de janeiro de 2005, no Centro Europeu de Operações Espaciais, em Darmstadt, Alemanha, as imagens causaram tanto júbilo quanto estranheza. Nenhum de nós esperava que a paisagem fosse tão parecida com a da Terra. Conforme a Huygens descia, as imagens aéreas mostravam canais afluentes de rios cortados por córregos pluviais. Ela pousou no solo úmido de uma recente enchente, decorado com pequenas pedras arredondadas. O que era estranho sobre Titã: sua misteriosa familiaridade.
Agora, cinco anos depois, tivemos tempo para digerir as descobertas da sonda e colocá-las no grande quadro que a Cassini gradualmente nos forneceu, tendo passado mais de 60 vezes por Titã em sua órbita fechada em torno de Saturno. Em tamanho (maior que Mercúrio), dinamismo (mais ativa que Marte) e atmosfera (mais espessa que a da Terra), Titã é um planeta com outro nome. Uma grande variedade de processos geológicos molda sua superfície. O metano desempenha o papel da água na Terra. Ele evapora dos lagos, forma nuvens, precipita como chuva, esculpe vales e flui novamente para os lagos. Se a atmosfera tivesse um pouco de oxigênio e a temperatura não fosse -180oC, você se sentiria em casa em Titã.
Mares de Areia e de Metano
Antes da Cassini, nossa perspectiva sobre Titã era unidimensional. Quando a espaçonave Voyager a sobrevoou, entre 1980 e 1981, viu apenas uma bola alaranjada enevoada, e o melhor que os observatórios em meados de 1990 puderam fazer foi um mapa infravermelho bruto mostrando áreas escuras e mais brilhantes (ver “Saturno, afinal!”, por Jonathan I. Lunine, Scientific American Brasil, julho de 2004). Cientistas falavam em superfície ou atmosfera de Titã como se uma única quantidade medida ou uma frase descritiva pudesse capturar um mundo inteiro. Essas generalizações acabaram sob a avalanche dos novos dados. Agora temos de nos referir aos mares de areia das baixas latitudes, ou à atmosfera sobre o polo norte no verão, ou ao dia nublado no distrito do lago sul.
As baixas latitudes de Titã são um misto de colinas brilhantes e enrugadas, mais notavelmente na grande área chamada Xanadu, e de mares de areia escura, que antes se pensava serem mares líquidos (astrônomos são sempre tentados a chamar áreas mais escuras de “mares”, sendo os mares lunares o exemplo mais óbvio). Dunas de areia de 100 m de altitude, como as maiores dunas encontradas na Terra, se espalham por dezenas a centenas de quilômetros. A areia escura de Titã não é feita de silicatos minerais como quartzo, como na Terra, mas de hidrocarbonetos, mais parecida com pilhas de borra de café.
Em torno dos polos, encontramos hidrocarbonetos líquidos: pequenos lagos em covas íngremes com algumas dezenas de quilômetros; charcos rasos como Ontario Lacus, pouco maior que seu homônimo Ontario Lake; e mares como o Kraken Mare, tão grande quanto o Cáspio. O nível superficial desses lagos parece ter mudado com o tempo. Encravados entre trópicos desérticos e úmidas regiões polares, estão as estranhamente incompreensíveis latitudes médias, com paisagens pesadamente erodidas e vidências de líquido corrente.
Cientistas planetários reconheceram, depois dos encontros da Voyager, que Titã pode ter um ciclo de metano com nuvens, chuvas e mares análogo ao ciclo hidrológico da Terra. Essa especulação se baseou, em parte, em um único dado: a temperatura superficial de Titã é próxima à do ponto triplo do metano, assim como a da Terra é próxima ao da água. Nessas temperaturas, gás sólido e gás líquido podem coexistir. Isso significa que as transições entre esses três estados da matéria regulam a temperatura de Titã ou é uma coincidência? A primeira boa evidência de que a ideia estava certa, por assim dizer, foi a detecção, por telescópios terrestres no fim dos anos 90, de nuvens transientes em altitudes nas quais se esperaria que o metano se condensasse. Melhores observações telescópicas, e depois a Cassini, foram capazes de ver essas nuvens em ação, subindo como os cúmulus terrestres e então se dissipando como pedaços de nuvens transformados em chuva. Em algumas áreas, a Cassini observou a superfície ficar escura após nuvens passarem sobre ela, talvez indicando chuvas na região.
A Cassini não observou diretamente a precipitação, mas as fotos aéreas da Huygens não deixaram dúvidas de que ao menos algumas partes da paisagem de Titã foram moldadas pela chuva e pelo rápido fluxo de líquido sobre a superfície. O sítio de pouso da sonda se localizava a cerca de 10 graus ao sul do equador, nos limites de algumas brilhantes e geladas colinas no meio de um grande mar de areia. A imagem mostra duas longas dunas a distância, mas a área imediata em torno do local de pouso é mais parecida com um leito de rio, com pedras arredondadas sobre a areia. Uma furadeira, projetada por um de nós – Lorenz, quando era estudante de pós-graduação, cerca de 12 anos antes do hardware chegar ao seu destino – perfurou o solo e mediu suas propriedades mecânicas, mostrando que era macio, porém coeso, muito parecido com areia molhada ou argila.
Termômetros indicaram que a sonda perdeu calor tão rapidamente que o solo deve ser úmido – como quando enterramos o dedo na areia molhada: ele sente mais frio do que quando o enterramos na areia seca. Trabalhos recentes sugerem que o vapor de metano pode ter também se condensado sobre o defletor frio da câmera da Huygens, e uma imagem mostra o padrão distinto da luz refletida por uma gota conforme ela cruza o campo de visão da câmera – a primeira foto detalhada de líquido em um mundo extraterrestre.
Planeta Selvagem
Titã é para o ciclo hidrológico o que Vênus é para o efeito estufa: um processo terrestre acontecendo em extremos. Na Terra, a energia solar é suficiente para evaporar cerca de 1 m de água por ano. A atmosfera pode suportar apenas alguns centímetros de umidade antes que nuvens e chuva se formem, de modo que o clima terrestre pode ser caracterizado, de maneira geral, por chover alguns centímetros de água a cada uma ou duas semanas.
Em Titã, a fraca luz solar permite apenas cerca de 1 cm de evaporação por ano. Mas a atmosfera pode suportar o equivalente a aproximadamente 10 m de líquido. Assim, o clima de Titã deveria apresentar chuvas torrenciais, causando grandes enchentes, seguidas por séculos de seca. O local de pouso da Huygens foi, provavelmente, o cenário de uma dessas inundações, que poderia ter acontecido um mês – ou um milênio – antes do pouso. Esse tipo de clima, com chuvas torrenciais entremeadas com secas, característico de Titã, é uma versão extrema do que pode estar acontecendo na Terra por causa do aquecimento global. Conforme nossa baixa atmosfera, ou troposfera, aquece, consegue reter mais umidade, e ambas, enchentes e secas, se tornam mais intensas.
Na Terra, os trópicos são dominados pela circulação Hadley. O ar quente sobe no equador e, conforme flui para os polos, é cisalhado (ou tosquiado, por assim dizer) pela rotação do planeta. Em cerca de 30o de latitude, o ar desce em direção à superfície. Por ser o ar descendente seco, a maioria dos desertos da Terra é encontrada nessa latitude. Mas Titã gira muito lentamente, um giro a cada 15 dias, de modo que o padrão de circulação correspondente se estende das latitudes médias, mais quentes, aos polos gelados, resultando na grande secura de toda a região equatorial – daí os grandes mares de areia centrados no equador.
Embora muito mais fria, a atmosfera de Titã tem um perfil de temperatura similar ao da Terra. A troposfera é aquecida pelo efeito estufa, e a temperatura cai com a altura. Acima, está a estratosfera, aquecida pela absorção da radiação solar. Na Terra, o absorvedor é o ozônio, enquanto em Titã é a névoa opaca que envolve esse mundo – destacando o recorrente tema da ciência de Titã: física familiar com substâncias diferentes.
Para analisar a névoa, a Cassini amostrou a atmosfera superior em altitudes de cerca de mil km enquanto passava por Titã. Antes da Cassini, pensávamos que essa neblina consistia em moléculas de hidrocarbonetos relativamente leves, como o etano, com peso atômico 30. Mas a Cassini detectou uma dramática e inesperada abundância de moléculas orgânicas pesadas, incluindo benzeno, antraceno e macromoléculas com peso atômico de 2 mil ou mais. Esse material se formou pela ação da luz do Sol no metano atmosférico. Presumivelmente, o material coagula e, por fim, cai na superfície em grãos maiores para criar os mares de areia; mas como isso acontece não é completamente entendido.
Apocalipse Global?
Além do ciclo da água de curto prazo, conduzido pela energia solar, a Terra possui um ciclo de longo prazo conduzido pela tectônica de placas. Ele envolve a troca de água entre o interior e a superfície. Por centenas de milhões de anos, a água vem sendo liberada do interior por vulcões e cordilheiras oceânicas (chamadas dorsais oceânicas ou dorsais meso-oceânicas) e reciclada para o interior nas zonas de subducção, as áreas onde as placas colidem e afundam. Não fosse por esse ciclo, a água se formaria na atmosfera e, no fim das contas, escaparia para o espaço.
Mas, e em Titã? As reações fotoquímicas potencializadas pelo Sol na atmosfera superior produzem elementos orgânicos mais pesados em tal taxa que usariam todo o metano da atmosfera e da superfície em apenas alguns milhões de anos, a menos que ele seja reposto (ver “Os Mistérios sobre o metano em Marte e Titã”, por Sushil K. Atreya, Scientific American Brasil, junho de 2007). Portanto, Titã deve possuir reservatórios subterrâneos que alimentam a atmosfera com o gás – uma analogia grosseira com o ciclo de longo prazo da água na Terra.
A Cassini não detectou vulcões ou placas tectônicas, mas descobriu ao menos duas áreas que parecem fluxos vulcânicos congelados, Hotei Arcus e Tui Regio. São mais brilhantes no infravermelho do que qualquer outra área em Titã, significando que devem ter composições distintas. Alguns sugerem que esse material brilhante seja uma capa de dióxido de carbono ou amônia congelados de uma erupção, mas a real composição e origem ainda permanecem um mistério. Outro sinal de atividade geológica é a quase completa falta de crateras de impacto, de que vulcanismo ou processos similares pavimentaram a superfície. Dada a taxa esperada de impactos, a superfície tem entre 200 milhões e 1 bilhão de anos.
Porque Titã parece não ter tectônica de placas, seu ciclo interior pode não ocorrer continuamente, como na Terra, mas aos trancos e barrancos. Em uma das reconstruções propostas da história de Titã, o interior liberou metano na atmosfera durante três períodos: na formação de Titã, há 4,5 bilhões de anos; no início da convecção no núcleo, há 2,5 bilhões de anos; e no início da convecção na crosta de gelo, no último bilhão de anos. O mais recente episódio teria desencadeado um apocalipse vulcânico global que repavimentou toda a superfície, muito parecido com o cataclismo que assolou Vênus há cerca de 1 bilhão de anos (ver “Global climate change on Venus”, por Mark A. Bullock, Scientific American, março de 1999). Imediatamente depois da injeção de metano, a superfície pode ter sido até mesmo mais úmida do que é hoje. Entre esses episódios, Titã esteve tectonicamente quieto, e o fluxo de metano do interior veio em pequenas correntes, no máximo. Esse modelo explica não apenas a baixa densidade de crateras, mas também a detalhada composição isotópica da atmosfera.
Assim como profundos reservatórios de metano, Titã pode ter também um oceano subterrâneo de água líquida, como modelos matemáticos que descrevem sua evolução interior predizem. Medidas elétricas feitas pela Huygens acusaram uma camada eletricamente condutiva de material aproximadamente a 45 km abaixo da superfície, e a água é o primeiro candidato. As medidas do radar da Cassini sugerem que a crosta gira mais rapidamente que o núcleo, como se uma camada líquida tivesse agido como um rolamento gigante, o que permitiu aos dois, crosta e núcleo, girarem a taxas diferentes; contudo, uma nova análise recente questiona essa conclusão.
Infelizmente, a atmosfera de Titã impede a Cassini de se aproximar mais da superfície para investigar o campo magnético que Saturno induziria em um oceano. Tais campos foram cruciais no caso dos oceanos nos satélites Jovianos (ver “The hidden ocean of Europa”, por Robert T. Pappalardo, James W.Head e Ronald Greeley, Scientific American, outubro de 1999). Conforme os cientistas debatem se o campo secundário ainda pode ser detectado, eles desenvolvem planos para procurar sinais magnéticos, assim como reveladoras distorções no campo gravitacional de Titã, para a próxima década.
por Ralph Lorenz e Christophe Sotin
Lucy Reading-Ikkanda (acima); Kevin Hand (embaixo)
A Era do Gelo de Titã
Somando-se aos padrões climáticos que ocorrem em ciclos sazonais e reposições atmosféricas em tempos geológicos, ambos, Titã e Terra sofrem mudanças climáticas com períodos intermediários, de dezenas de milhares de anos a milhões anos. Como foi percebido pela primeira vez por James Croll, cientista escocês do século 19, e depois aprimorado pelo geofísico sérvio Milutin Milankovic no início do século 20, forças gravitacionais exercidas por outros planetas lentamente mudam a órbita e a inclinação da Terra, alterando a intensidade do calor solar e dando origem ao ciclo de eras do gelo.
Em Titã, o verão no sul é menor, porém mais intenso que no norte porque Saturno (e Titã, portanto) tem uma órbita elíptica em torno do Sol. Ele fica aproximadamente 10% mais próximo do Sol durante o verão austral. Essas estações assimétricas podem bombear compostos voláteis como o metano e o etano do sul para o norte, que agora tem muito mais lagos e mares. Ao longo do tempo, entretanto, o alinhamento relativo do polo de Titã e a órbita elíptica de Saturno mudam. Em 30 mil anos, o verão boreal será mais intenso. Lagos secarão no norte e novos se formarão no sul. Essa é outra maneira pela qual Titã seria mais um planeta terrestre que uma lua gélida.
As descobertas da Cassini sobre uma paisagem exótica, porém familiar, estão levando os cientistas a olhar para a Terra de outra maneira. Os campos lineares de dunas de areia de Titã, por exemplo, lembram aqueles do deserto do Saara e da Namíbia, onde as dunas se alinham ao longo da direção média dos dois ventos dominantes. Ainda assim, as simulações atmosféricas para Titã têm problemas em reproduzir a orientação das dunas. Essa discrepância pode ser um sinal de que os cientistas não entendem completamente a formação de tais dunas ou que os ventos de Titã são controlados por efeitos ainda não incluídos nas simulações.
Além do mais, até o momento, as observações dos lagos de Titã os mostram extremamente pla nos, sem ondas na superfície, mesmo que a gravidade mais baixa e ar mais espesso devessem, se mais nada, aumentar a força das ondas. O que essa planitude significa para nosso entendimento sobre a geração de ondas pelo vento? A taxa de rotação de Titã pode variar levemente com as estações conforme a atmosfera e a superfície aumentam ou diminuem a rotação uma da outra como volantes de inércia gigantes – efeito que também é visto na Terra, embora muito mais fraco.
Assim, como é geralmente o caso em exploração planetária, as descobertas da Cassini estão impelindo a questões mais profundas. A rica gama de problemas científicos postos por Titã e as complexas interações superfície-atmosfera vão requerer, no fim, uma série de missões – assim como o programa da Nasa para Marte – incluindo landers (pequenas estações de pesquisa que pousam em determinado lugar), rovers (veículos de exploração) ou mesmo balões. Nesse meio-tempo, a Cassini continuará a voar por Titã a cada poucas semanas. Agosto passado marcou o equinócio da primavera norte em Titã e, conforme o Sol se move progressivamente para o norte, a circulação atmosférica e o padrão de nuvens mudarão diante de nossos olhos. À medida que a região polar norte, que vem de um estado de frio intenso e escuridão estagnante, se aquece, a única coisa que podemos esperar é o inesperado.
NASA/JPL/UNIVERSITY OF ARIZONA/UNIVERSITY OF ANATES (nuvens de metano); KAVIN HAND (ciclo do metano)
Ralph Lorenz e Christophe Sotin Ralph Lorenz, da Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, ajudou a projetar e construir a sonda Huygens, fez os primeiros mapas de Titã com o telescópio Hubble e chefiou a equipe que planejou as observações de radar de Titã. Entre os muitos livros que escreveu está Spinning flight, no qual estuda a aerodinâmica dos frisbees. Christophe Sotin faz e analisa as observações da superfície de Titã com o Visual and Infrared Mapping Spectrometer (espectrômetro de mapeamento visual e infravermelho) da Cassini. Trabalha no Jet Propulsion Laboratory do California Institute of Technology. Lembra-se, de aos 10 anos, ter acampado em uma remota área de Brittany e ouvir rádio enquanto Neil Armstrong passeava na Lua.Revista Scientific American Brasil
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