Trovões e relâmpagos geram admiração e medo em humanos desde tempos imemoriais. Tanto nas culturas modernas quanto nas antigas, esses fenômenos naturais são frequentemente considerados governados por alguns dos deuses mais importantes e poderosos – Indra no hinduísmo, Zeus na mitologia grega e Thor na mitologia nórdica.
Sabemos que as tempestades podem desencadear uma série de efeitos notáveis, mais comumente cortes de energia, tempestades de granizo e animais de estimação escondidos sob as camas. Mas descobrimos que ainda temos muito que aprender sobre eles. Um novo estudo, publicado na Nature, mostrou agora que as tempestades também podem produzir radioatividade, desencadeando reações nucleares na atmosfera.
Isso pode soar como o enredo de um desastre de ficção científica de grande sucesso. Mas, na realidade, não há nada com que se preocupar. Desde o início do século 20, os cientistas estão cientes da radiação ionizante – partículas e ondas eletromagnéticas que podem danificar as células – caindo do espaço na atmosfera da Terra. Essa radiação pode reagir com átomos ou moléculas, carregando energia suficiente para liberar elétrons de átomos ou moléculas. Portanto, ele deixa para trás um “íon” com uma carga elétrica positiva.
Há pouco mais de um século, o físico austríaco Victor Hess fez medições de ionização em um balão de ar quente cinco quilômetros acima da superfície da Terra. Ele notou que a taxa de ionização aumentava rapidamente com a altura, o oposto do que seria esperado se a fonte da radiação ionizante viesse do solo. Portanto, Hess concluiu que deve haver uma fonte de radiação com alto poder de penetração localizada acima da atmosfera. Ele foi nomeado co-recebedor do Prêmio Nobel de Física em 1936 por sua descoberta, mais tarde apelidada de “raios cósmicos”.
Agora sabemos que os raios cósmicos são compostos de partículas carregadas: principalmente, elétrons, núcleos atômicos e prótons – os últimos constituem o núcleo junto com os nêutrons. Algumas se originam do sol, enquanto outras vêm de explosões distantes de estrelas mortas em nossa galáxia, conhecidas como supernovas. Quando esses raios cósmicos entram na atmosfera da Terra, eles interagem com átomos e moléculas para produzir uma chuva de partículas subatômicas. Entre eles estão os nêutrons, que não têm carga elétrica.
São esses nêutrons que tornam possível a datação por radiocarbono. A maioria dos átomos de carbono tem seis prótons e seis ou sete nêutrons em seus núcleos (chamados de ?isótopos 12C e 13C?, respectivamente). No entanto, os nêutrons produzidos pelos raios cósmicos podem reagir com o nitrogênio atmosférico para criar 14C, um isótopo pesado e instável de carbono que, ao longo do tempo, irá ?decair radioativamente? (se dividir enquanto emite radiação) de volta ao nitrogênio.
Na natureza, o 14C é incrivelmente raro e representa apenas cerca de um em um trilhão de átomos de carbono. Mas, além de seu peso e propriedades radioativas, o 14C é basicamente idêntico aos isótopos de carbono mais comuns. Oxida para formar dióxido de carbono e entra na cadeia alimentar à medida que as plantas absorvem o CO2 radioativo.
A proporção de 12C a 14C em um determinado organismo começará a mudar quando esse organismo morrer e parar de ingerir carbono. O 14C já em seu sistema então começa a decair. É um processo lento, uma vez que o 14C tem meia-vida radioativa de 5.730 anos, mas é previsível, o que significa que as amostras orgânicas podem ser datadas medindo a proporção de 12C para 14C ainda restante.
Desta forma, os raios cósmicos são responsáveis por reações nucleares na atmosfera da Terra. Até hoje, pensávamos que era o único canal natural que produzia elementos radioativos como o 14C. A palavra “nuclear”, tão sinistra quando associada a “bomba” ou “lixo”, simplesmente se refere às mudanças que ocorrem em um núcleo atômico.
Pegando Nêutrons
Quase cem anos atrás, o renomado físico e meteorologista escocês Charles Wilson propôs que as tempestades também poderiam desencadear reações nucleares na atmosfera. Wilson, que realizou trabalho de campo no observatório meteorológico isolado no cume de Ben Nevis, a montanha mais alta da Grã-Bretanha, ficou fascinado pela formação de nuvens de tempestade e eletricidade atmosférica. No entanto, sua sugestão era anterior à descoberta do nêutron – um dos produtos reveladores das reações nucleares – em sete anos, de modo que sua proposta não pôde ser testada.
Desde a época de Wilson, houve muitos estudos que afirmavam ter detectado nêutrons produzidos por tempestades, mas nenhum provou ser definitivo. Outros procuraram por radiação eletromagnética energética (raios X e raios gama) que acompanha a avalanche de elétrons de alta energia que sabemos ser produzida por relâmpagos em nuvens de tempestade. Os cálculos mostram que esses elétrons e raios gama podem eliminar nêutrons do nitrogênio e do oxigênio da atmosfera. Mas embora os raios X e gama tenham sido observados, nunca houve uma observação direta das reações nucleares conseqüentes que ocorrem em uma tempestade.
O novo estudo usa uma abordagem diferente. Em vez de procurar os nêutrons indescritíveis, os autores contam com outros subprodutos das reações nucleares. Se os elétrons e os raios gama causam a formação de isótopos instáveis de nitrogênio e oxigênio por reações nucleares após um acidente vascular cerebral, eles devem decair após alguns minutos para formar isótopos estáveis de carbono e nitrogênio.
Crucialmente, esse decaimento produz uma partícula conhecida como “pósitron”, a versão “antimatéria” do elétron. Todas as partículas têm versões de antimatéria delas mesmas – elas têm a mesma massa, mas a carga oposta. Quando a antimatéria e a matéria entram em contato, elas se aniquilam em um lampejo de energia. Essa é a energia que os pesquisadores procuraram. Usando detectores de radiação olhando para o Mar do Japão, eles observaram as impressões digitais de raios gama inequívocas da aniquilação de pósitrons e elétrons ocorrendo imediatamente após a queda de raios em nuvens de tempestade de inverno. Esta é uma evidência clara de reações nucleares ocorrendo em nuvens de tempestade.
Esses resultados são importantes, pois demonstram uma fonte anteriormente desconhecida de isótopos na atmosfera da Terra. Estes incluem carbono-13, carbono-14 e nitrogênio-15, mas estudos futuros também podem revelar outros, como isótopos de hidrogênio, hélio e berílio.
As descobertas também têm implicações para astrônomos e cientistas planetários. Outros planetas dentro de nosso sistema solar têm tempestades em suas atmosferas que podem contribuir para a composição de suas atmosferas. Um desses planetas é Júpiter, que também é apropriadamente o deus do trovão na mitologia romana antiga.
Publicado em 04/12/2021 11h37
Artigo original:
Estudo original: