Futuras viagens de rovers e astronautas precisarão de melhores previsões para sobreviver a condições meteorológicas perigosas
Tudo começou com uma brisa da primavera. O rover Opportunity observou com seus olhos robóticos o vento soprando através do Vale da Perseverança chutar sopros de poeira enferrujada de Marte no ar. Em mais de 14 anos terrestres explorando o Planeta Vermelho, o veículo espacial havia visto muito desse tipo de clima.
Mas o pó ficou mais grosso. Pequenas manchas rodopiavam como fumaça de fogo selvagem através da atmosfera, transformando o meio-dia cheio de sol em crepúsculo e noite. Em uma semana, a tempestade de poeira cobriu mais de duas vezes a área dos Estados Unidos contíguos e, eventualmente, envolveu todo o planeta, permitindo que apenas 5% da quantidade normal de luz atingisse os painéis solares do Opportunity. O veículo espacial ficou quieto.
“Ficou tão ruim tão rapidamente que nem tivemos tempo de reagir”, diz Keri Bean, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia. Bean se juntou à equipe de pilotagem de veículos da Opportunity pouco antes da tempestade de maio de 2018.
Tempestades de poeira como essa, que apagaram o Opportunity for good, são os eventos mais dramáticos e menos previsíveis no Planeta Vermelho. Tais tempestades podem tornar o processo de aterrissar em Marte ainda mais perigoso e certamente podem dificultar a vida de futuros exploradores humanos.
Apesar de quase 50 anos de estudo, os cientistas estão perdendo alguns dados importantes que ajudariam a explicar como a poeira é lançada no ar para formar tempestades em todo o planeta e o que a mantém circulando por semanas ou meses por vez.
“Nós simplesmente não entendemos como as tempestades de poeira se formam em Marte”, diz o meteorologista planetário Scott Guzewich, do Centro de Vôos Espaciais Goddard da NASA, em Greenbelt, Maryland. A história mostrou que certas regiões e estações são mais propensas a poeira do que outras. “Fora isso, somos … cegos”.
As missões de Marte que serão lançadas neste verão, dos Estados Unidos, China e Emirados Árabes Unidos, ajudarão a resolver esse mistério premente. O novo veículo espacial da NASA, Perseverance, levará um conjunto de sensores climáticos chamado MEDA para o Mars Environmental Dynamics Analyzer. Esses sensores se basearão em décadas de exploração de Marte e preencherão peças de quebra-cabeça ausentes.
“Prever poeira é o objetivo final” da MEDA, diz o cientista planetário Germán Martínez, do Instituto Lunar e Planetário de Houston. Os dados que o MEDA coletará serão “a contribuição mais substancial para esse tópico até agora”.
Poeira, poeira em todos os lugares
O pó é tão importante para o clima em Marte quanto a água na Terra. Sem oceanos, escasso vapor de água e uma atmosfera fina, o clima marciano pode ser monotonamente calmo por cerca de metade do ano marciano, que dura cerca de 687 dias terrestres. Mas quando a órbita do Planeta Vermelho o aproxima do sol, começa a temporada de tempestades de poeira.
Na estação poeirenta de 10 meses, que corresponde à primavera e verão no hemisfério sul, a luz solar extra aquece a atmosfera. Esse calor gera ventos fortes à medida que o ar se move de regiões quentes para áreas frias. Esses ventos levantam mais poeira, que absorve a luz solar e aquece a atmosfera, gerando ventos ainda mais fortes, que levantam ainda mais poeira.
As tempestades ocorrem em vários tamanhos: tempestades locais podem cobrir uma área do tamanho do Alasca e durar até três dias marcianos (cada um deles dura cerca de 24,5 horas); tempestades globais podem engolir o planeta por meses. A tempestade que derrotou o Opportunity ocorreu do final de maio ao final de julho. Tais tempestades globais provavelmente resultam quando várias tempestades menores se fundem.
As tempestades de poeira globais afetaram a exploração de Marte desde a chegada do primeiro visitante robótico de longo prazo em 1971, quando o navegador Mariner 9 da NASA descobriu que a superfície do planeta estava totalmente obscura. O Opportunity e seu rover gêmeo, Spirit, sobreviveram a uma tempestade de poeira global em 2007, mas uma grande tempestade de poeira regional encerrou a missão da sonda Phoenix em 2008.
Nunca houve uma missão em Marte que não se preocupasse com poeira.
Almanaque de um fazendeiro
Felizmente, o Mariner 9 era um orbitador, sem planos de pousar. Só tinha que esperar o céu clarear para começar a tirar fotos da superfície marciana. Mas a mesma tempestade de 1971 é provavelmente a responsável por derrotar dois navios soviéticos que chegaram quase ao mesmo tempo.
As naves espaciais que precisam pousar para realizar seu trabalho não podem esperar apenas por um tempo melhor. As janelas de lançamento para missões entre a Terra e Marte abrem apenas a cada 26 meses. Os engenheiros que projetam sistemas de pouso precisam saber quais condições uma espaçonave enfrentará quando chegar lá, diz Allen Chen, do Jet Propulsion Lab, que lidera a entrada, descida e pouso para Perseverança.
O fator mais importante é a densidade da atmosfera. Embora a atmosfera de Marte exerça apenas 1% da pressão da Terra na superfície do planeta, tanto o ar marciano fino como o vento soprando por ele desaceleram a sonda e afetam onde ela pousa, diz Chen.
A perseverança tira fotos do solo enquanto salta de paraquedas na atmosfera e combina as imagens com um mapa a bordo feito com imagens do Mars Reconnaissance Orbiter da NASA. Com base nesses detalhes, um sistema de navegação a bordo levará o rover para um local de pouso seguro, ajudando o rover a pousar em uma área de 25 quilômetros de largura – o pouso mais preciso de Marte de todos os tempos.
“Mas isso depende de poder ver o chão”, diz Chen, sem poeira obscurecendo a vista.
Para pousar um veículo espacial, engenheiros como Chen confiam em previsões que usam o passado para prever o futuro – semelhantes às previsões meteorológicas da Terra, mas com menos dados. O cientista atmosférico Bruce Cantor, da Malin Space Science Systems em San Diego, um meteorologista de Marte, divulgou um boletim meteorológico de Marte toda semana até setembro de 2019. Suas previsões são baseadas em estatísticas e dados históricos, a maioria tirada de órbita. “É quase como o almanaque de um fazendeiro na minha cabeça”, diz ele.
As previsões de Cantor para pousos em Marte desde 1999 foram “bastante precisas”, diz ele, e ele se orgulha de ter previsto a tempestade que encerrou a missão de Phoenix em três dias. Mais precisão não teria salvado Phoenix, diz ele. As baterias da sonda já estavam fracas devido aos baixos níveis de luz solar do inverno e ao acúmulo de poeira nos painéis solares. “Era apenas uma questão de qual tempestade seria a missão final”, diz ele.
Ele prevê um céu limpo para o touchdown do Perseverance em fevereiro de 2021. Com base nos padrões de estação e clima do passado, a probabilidade de uma tempestade de poeira atingir 1.000 quilômetros da área de pouso do centro de Perseverance é inferior a 2%, relataram Cantor e colegas. a revista Icarus em março de 2019.
Mas, por precaução, a equipe de Chen treinou o sistema de navegação para “lidar com a poeira empoeirada”, diz Chen.
Uma constelação de estações meteorológicas
À medida que as missões de Marte se tornam mais complexas, e especialmente quando a NASA e outros grupos pensam em enviar exploradores humanos, ser capaz de se preparar para tempestades de poeira assume uma urgência extra.
“Algum dia, alguém irá a Marte e quererá saber quando e onde as tempestades ocorrem”, diz Cantor. “É quando essas coisas se tornam realmente importantes”.
Cantor saberia. Há mais de uma década, enquanto testava um sistema rover diferente no sul da Califórnia, ele pulou em um poço de poeira de 2 metros de altura apenas para ver como seria. “Nenhuma das minhas ações mais inteligentes”, diz ele. Ele não foi ferido, mas “não foi bom. Parecia um jato de areia.
Os astronautas marcianos seriam protegidos por mais do que shorts e camiseta, mas a poeira poderia invadir facilmente habitats humanos e entupir os filtros de ar – ou danificar os pulmões dos astronautas se a respirasse. A poeira pode até transportar materiais venenosos e cancerígenos que poderiam causar astronautas doentes ao longo de uma missão.
Os astronautas precisam saber quando ficar lá dentro. Parte do problema na previsão de tempestades é uma enorme falta de dados. Para o clima da Terra, os meteorologistas usam milhares de estações meteorológicas terrestres, além de dados de satélites, balões e aviões. Marte possui apenas seis satélites ativos, administrados pela NASA e pelas agências espaciais européias e indianas. E apenas dois conjuntos de instrumentos climáticos relatam da superfície de Marte: um no rover Curiosity, que coleta dados desde 2012, e um conjunto quase idêntico que chegou com o InSight lander em 2018.
Coletando poeira
Mais de sete anos terrestres na atmosfera poeirenta do Planeta Vermelho afetaram o veículo Curiosity, mostrado nas “selfies” que o veículo espacial realizou em outubro de 2012 (o 84º dia marciano de sua missão, à esquerda) e em fevereiro de 2020 (dia marciano 2.687 , certo).
Mas essas duas naves espaciais são praticamente vizinhas, uma grande fraqueza para a compreensão de todo o planeta. “Seria como ter uma de suas estações meteorológicas em D.C. e outra em Buffalo”, diz Guzewich.
A perseverança ajudará a preencher as lacunas. O mesmo poderia acontecer com o primeiro rover chinês da Mars, o Tianwen-1, que será lançado em julho com um instrumento para medir a temperatura, pressão e vento do ar. A missão ExoMars da Rússia e da Europa, com lançamento previsto para 2022, inclui um módulo de aterrissagem chamado Kazachok equipado com meteorologia e sensores de poeira.
Do alto, a Missão Emirates Mars nos Emirados Árabes Unidos, conhecida como Hope, observará o clima, incluindo tempestades, e como a atmosfera interage com o solo. Durante um ano marciano em órbita, o Hope ajudará a construir uma imagem global de como a atmosfera muda dia a dia e entre as estações.
Ter mais algumas estações meteorológicas será um grande impulso, diz José A. Rodríguez Manfredi, do Centro de Astrobiologia de Madri, pesquisador principal do MEDA, os sensores climáticos do Perseverance. “Teremos uma mini rede trabalhando em Marte em alguns anos.”
Mas quatro ou cinco estações meteorológicas no solo provavelmente não serão suficientes. Para prever com segurança tempestades de poeira, o que os cientistas de Marte precisam é de uma rede global que colete dados o tempo todo.
Para reduzir o custo dessa rede, Guzewich sugere descobrir quais medidas “nos dariam o melhor retorno possível”. Para a Terra, a NASA e outras agências usam um tipo de estudo chamado Experimento de Simulação de Sistema de Observação para descobrir quais variáveis são mais importantes para prever o clima. Os satélites são então projetados para focar nas observações mais valiosas. Esse estudo nunca foi feito para Marte, mas o único obstáculo é o financiamento, diz Guzewich.
“Os cientistas atmosféricos de Marte têm clamado” por tais experimentos, diz ele. “Não vamos reproduzir a rede de observação da Terra antes que os humanos sejam para Marte. Isso não vai acontecer?. Mas talvez possamos fazer algo financeiramente e tecnologicamente razoável que realmente faça a diferença e nos leve ao ponto em que podemos prever o futuro com alguns dias de antecedência.”
Soprando no vento
As previsões de Marte também sofrem com a falta de informações fundamentais, diz Martínez. Quão forte o vento tem que soprar para levantar a poeira? E o que a poeira faz quando está no ar?
É aqui que a perseverança brilhará. O rover fará as melhores medições diretas ainda da velocidade e direção do vento em Marte, especialmente o vento vertical que eleva a poeira para cima.
Durante muito tempo, os cientistas lutaram para entender como a poeira era lançada no ar. “Parecia que não era possível”, diz Guzewich. “A atmosfera é tão fina que uma única partícula de poeira ou areia é tão pesada que simplesmente não deve funcionar”. Observações e experimentos nos últimos 20 anos sugerem que quando os grãos de areia começam a saltar ao longo da superfície, eles podem bater em outros grãos e derrubar partículas menores para cima. Mas ainda não é possível dizer qual desses grãos em movimento levará a uma tempestade – ou qual dessas tempestades se tornará global.
Os climatologistas de Marte tentam fazer medições detalhadas do vento há décadas, diz Martínez, mas atingiram vários trechos de má sorte. Apenas cinco missões de superfície – os Viking 1 e 2 em 1976, o Pathfinder em 1997 e as missões Curiosity e InSight em andamento – forneceram dados úteis sobre a velocidade e a direção do vento perto da superfície. E mesmo aqueles tiveram resultados mistos.
“Sem dúvida, o melhor registro de vento em Marte ainda é o dos vikings, há 40 anos”, diz Martínez. A curiosidade deveria fazer medições diretas do vento em todas as direções com um par de barras aquecidas eletricamente que se projetavam para longe do pescoço do veículo espacial. “Tínhamos grandes expectativas”, diz Martínez.
Mas as fotos tiradas por ele mostraram que um boom foi danificado quando o veículo pousou e ficou fora de serviço. Nos primeiros 1.490 dias marcianos da missão do Curiosity, o veículo espacial podia fazer medições apenas quando o vento soprava de frente. Então, em outubro de 2016, o segundo boom estourou. Em abril, os pesquisadores sugeriram uma maneira de invadir os sensores de temperatura do Curiosity para obter dados de vento, mas não há planos de usar esse hack no momento, diz Guzewich.
Isso deixa o InSight, mas suas leituras de vento são confusas por outras partes do sensor que atrapalham o fluxo de ar. As leituras ainda são úteis, mas a equipe MEDA espera fazer melhor.
Tomando lições do InSight e do Curiosity, o MEDA da Perseverance terá mais sensores de vento que se afastam do corpo do veículo espacial. Os sensores serão protegidos por um escudo até que o veículo espacial aterrisse com segurança.
“Estamos muito animados”, diz Martínez. “O vento vertical nunca foi medido antes em Marte. Nós vamos fazer isso.”
Medir a velocidade do vento ajudará os cientistas a determinar com que intensidade o vento deve soprar para levantar poeira, o primeiro passo para desencadear uma tempestade de poeira.
Esse número tem ressonância pessoal para Bean, o antigo operador do Opportunity rover. Seu primeiro turno foi exatamente duas semanas antes da tempestade de poeira global que encerra a missão. Ela disse ao veículo espacial para usar o braço para escovar a superfície de uma rocha.
“Meus colegas de trabalho me culparam por iniciar um efeito borboleta inteiro”, diz ela. “Você escovou a superfície”, brincaram eles, “a poeira subiu, você começou toda a tempestade de poeira”.
Em seu relatório de fim de missão, a equipe do Opportunity admite que nunca saberá realmente o que encerrou a corrida de quase 15 anos do Opportunity. Uma possibilidade é que a poeira fique muito espessa nos painéis solares para que o vento suave na estação calma possa expelir a poeira.
Uma possível solução seria projetar futuros veículos espaciais para vibrar seus painéis solares com rapidez suficiente para fazer a poeira deslizar, diz Bean. Uma vez que os humanos estão no planeta, eles poderiam limpar a poeira com os braços.
Uma semana ou mais antes de o Opportunity ser oficialmente declarado perdido, Bean decidiu comemorar o veículo espacial. “Eu sempre gostei de tatuagens, mas nada falou comigo”, diz ela. Na faculdade, ela estudou a opacidade atmosférica de Marte – a quantidade de luz que pode penetrar na poeira de uma atmosfera, representada pela letra grega τ. Então Bean fez uma tatuagem no braço da última medição que Oportunidade foi enviada à Terra: “τ = 10,8”. Isso significa um céu escuro no meio do dia.
Publicado em 15/07/2020 22h00
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