A ÁGUA NO UNIVERSO. O BIG BANG uma bomba ou explosão do próprio espaço?

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1 A ÁGUA NO UNIVERSO H2O O BIG BANG uma bomba ou explosão do próprio espaço? Lineweaver and Davis 2005 SciAm. Jean-Francois COLONNA Lineweaver and Davis 2005 SciAm.

2 ASSOCIAÇÃO DOS ÁTOMOS BIG BANG ou Super Novas elétrons passam a orbitar os prótons, formando átomos de hidrogênio Átomos de hidrogênio representam aprox. 75% da massa do gas interestelar, que por sua vez ocupa 99% do volume interestelar ρgás = 1 átomo / cm - ρar = 30x10 mol / cm % % 1% O HIDROGÊNIO Um átomo neutro de hidrogênio emite radiação (comprimento de ondas de rádio) quando a direção de rotação do próton e elétron é alterada onda de 21 cm de comprimento com frequência de Hz Imagem em falsa cor da emissão de ondas de rádio na Via Láctea, identificando nuvens de átomos neutros de hidrogênio. NASA

3 A ÁGUA NO UNIVERSO A fusão de átomos de H deu origem aos outros elementos Aglomeração dos átomos em nuvens aumenta a atração gravitacional e favorece o colapso de massa, aumentando a temperatura (15M de graus e formando uma estrela calor opõem-se a completa contração). No seu interior o hidrogênio se funde formando hélio, o hélio o carbono, e o carbono o oxigênio. Adensamen to de nuvens de hidrogênio precedendo a formação de uma estrela Com o tempo formam-se todos os elementos da tabela periódica, finalizando com o ferro núcleodaestrela interrupção do processo de fusão e total colapso da matéria. NASA Gás insterestelar aquecido pelo choque de uma onda de gás ejetado pela explosão de uma supernova azul = oxigênio e verde = hidrogênio. núcleo ferro-silicoso A ÁGUA NO UNIVERSO A contração da matéria sobre um núcleo metálico não compressível gera um ricochete explosivo, que dispersa uma nuvem de isótopos mais pesados no espaço interestelar. onda de choque Explosão recente de uma supernova - NASA Formação de molécula de água H O H Constelação de Orion 1968 água foi vista no espaço pela 1a. Vez Observação de radiotelescópios mostram o spectro de ondas curtas de uma nebulosa

4 ÁGUA NA TERRA A nebulosa que originou o sistema solar possuía provavelmente uma grande quantidade de água - a volume de água existente na Via Láctea é 1 milhão de vezes maior que o volume do sol. Uma vez que o centro da nebula entrou em colapso, criando o sol, a matéria restante ao redor iniciou um movimento de rotação, dando origem ao movimento orbital de gás e poeira cósmica. Presença de grande concentração de poeira em Orion, impedindo a passagem de luz NASA Gelo tende a se formar sobre os grãos de poeira formação de planetesimais associa-se à presença de água. Em cerca de 1 milhão de anos a coalescência de poeira deu origem a planetesimais e eventualmente protoplanetas após a formação de algumas dezenas de pequenos planetas, choques violentos passam a ocorrer. FORMAÇÃO DA TERRA E OCEANO A terra se forma entre 50 e 100 milhões de anos após a formação do sistema solar A colisão de grandes corpos estelares gera grande quantidade de calor, o que pode derreter ou mesmo vaporizar rochas liberação de moléculas de água congelada. Colisão de cometas acrescentariam ainda mais umidade Nuvem de vapor d água sobre o planeta efeito estufa elevação da temperatura fusão das rochas mar de lava

5 FORMAÇÃO DA TERRA E OCEANO História da terra primordial Halliday (2001) e Zhang (2002) 4570 Ma: período de acresção, formação do núcleo, formação de densa atmosfera, oceano de magma 4550 Ma: ultimo grande impacto de protoplaneta 4500 Ma: perda da atmosfera densa primordial 4470 Ma: acresção praticamente completa 4400 Ma: mais antigo fragmento de zircão conhecido 4300 Ma: idade mínima para maioria dos grãos de zircão 4300 Ma: continentes estáveis e oceanos 3900 Ma: final do bombardeio cósmico Matsui e Abe (1986) - Com a atmosfera primordial atingindo temperaturas de 1260 graus Celsius, a mesma quantidade de vapor gerado pelos choques era consumida na fluidização do magma. A pressão atmosférica deve ter sido 100 vezes maior que a atual. Com a dimuição da frequência dos choques a superfície resfria e inicia-se um ciclo de chuvas com temperaturas de 315 graus C (temperatura de condensação com pressão de 100 atmosferas). A QUANTIDADE DE ÁGUA QUE ESTA ATMOSFERA DE VAPOR PODERIA SUPORTAR SERIA SEMELHANTE AO VOLUME ATUAL DOS OCEANOS. A formação da Lua parece ter ocorrido após esta fase, com a Terra apresentando uma crosta sólida sendo assim a água acumulada por esta chuva primordial vaporizou-se (parcialmente?) no espaço. A HISTÓRIA DO ZIRCÃO

6 A HISTÓRIA DO ZIRCÃO Valley 2005 Valley 2005 A razão isotópica O18/O16 encontrada nos grãos de zircão são compátiveis com cristais formados em ambientes relativamente frios ricos em água Padrão de crescimento de um cristal de zircão revelam diferentes idades (centenas de milhões de anos de diferença) associadas a fases de crescimento. A identificação de pedaços de quartzo indicam a provavel presença de bloco granítico (comum em crostas continentais maduras). Elevadas concentrações de elementos raros associados à cristalização da crosta são também encontrados Valley 2005

7 FORMAÇÃO DA LUA Astro capturado pelo campo gravitacional Fissão causada pela rápida rotação Poeira cósmica agregada Choque com asteróide Jeffrey Taylor 1994 FORMAÇÃO DA LUA FATOS As rochas lunares datam de 4,5 bilhões de anos A Lua apresentou atividade tectônica até aproximadamente 2 bilhões de anos A Lua não tem um núcleo ferroso as rochas são basicamente silicosas A Lua não possui minerais voláteis, como água, potássio e sódio O choque do asteróide aumenta a velocidade de rotação da Terra O calor gerado pelo choque transforma 65% da Terra em magma.

8 FORMAÇÃO DA LUA Southwest Research Institute Um corpo com massa semelhante a Marte se choca com a Terra. 2% da massa combinada dos dois corpos inicia órbita ao redor da Terra. Metade desta massa forma a lua, em um intervalo de tempo entre 1 e 100 anos ápós o impacto. FORMAÇÃO DA TERRA E OCEANO A superfície lunar mostra evidências de que a Terra continuou a ser bombardeada após sua formação. Se parte deste bombardeamento foi representados por cometas, grande quantidade de água pode ter sido adicionada. Polêmica - mas porque a lua não tem água? - composição isotópica da água nos cometas diferente da água na Terra (cometas com maior quantidade de deutério). Em 2001 é observado que o cometa Linear (acima desintegrando-se próximo ao sol) apresenta reduzida composição de moléculas orgânicas voláteis, sugerindo composição isotópica semelhante à da Terra. Ritmitos de maré 3.2 B anos Africa do Sul. Regularidade dos ciclos mostra que a lua formou-se a partir de fragmentos da Terra agregados, e não como um corpo insterestelar capturado pelo campo de gravidade terrestre (originaria órbita mais elíptica).

9 FORMAÇÃO DA TERRA E OCEANO A Terra se localiza a uma distância ideal do sol para de manter a água em estado líquido. O sol parece ter sido 30% mais fraco a 4,5B de anos atrás, e vem se aquecendo desde então, fazendo com que a zona habitável do sistema solar se desloque para fora. Zona habitável há 4.5 B de anos Marte Terra sol Venus Mercurio Zona habitável atual ÁGUA EM MARTE EVOLUÇÃO DA VIDA 3.5 B anos estromatólitos cianobactérias Fotossíntese cianobactérias (algas azuis) Dissociação fotoquímica com luz ultravioleta = 1 2% dos níveis atuais de O2 é o bastante para iniciar a produção do ozônio e criar escudo contra a radiação ultravioleta

10 MAS ANTES... O aparecimento de moléculas de carbono, e cadeias destas capazes de se auto-replicar, parece ter ocorrido em profundidade, junto às fontes hidrotermais do fundo oceânico combinação de hidrogênio, nitrogênio e um metal catalisador (composto de ferro) produz amônia, componente necessário para reações biológicas. A sintetização de vários tipos de moléculas orgânicas complexas tem sido feita em laboratório sob condição de altas temperatura e pressão, utilizando-se metais, água e dióxido de carbono. marcas microscópicas potencialmente associadas a células fósseis idade presumida 3,7 a 3,9 B anos Sarah Simpson 2003 Sarah Simpson 2003 EVOLUÇÃO DA VIDA 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 rocha + antiga continentes estáveis e oceanos 1as células vivas liberação O2 por fotosíntese 1as células fotosintéticas holocausto do oxigênio Respiração aeróbica concentração de 02 aumenta de 1% para 15% entre 2200 Ma e 1900 Ma Formação de depósitos de minério de ferro Christian de Duve 1996 SciAm

11 GASES NA ATMOSFERA Claude J. Allgre and Stephen H. Schneider 1994 SciAm EVOLUÇÃO DA VIDA Fundo do mar no Cambreano ausência de esqueletos calcáreos Explosão do Cambreano David Bottjer 2005 SciAm

12 EVOLUÇÃO DA VIDA trilobitas Formação de 70% dos escudos continentais Plantas terrestres (ozônio na atmosfera) Extinção de 90% da vida na Terra Terra em Bola de Neve Snowball Earth SNOWBALL EARTH

13 SNOWBALL EARTH EVOLUÇÃO QUÍMICA Composição química H 2 0 inalterada, como é sugerido pela manutenção das formas de vida Quantidade de sal estimada nos oceanos tons = Camada de 170 m de sal cobrindo todos os continentes De onde veio o sal?

14 EVOLUÇÃO QUÍMICA De onde veio o sal? Gradual adição pelos rios através do intemperismo das rochas O OCEANO ERA DOCE INICIALMENTE. Erosão continental anual = tons de sal + fontes vulcânicas 4 x 10 9 anos x 4 x 10 9 tons sal /anos = 1,6 x tons sal >> 0,05 x tons existentes hoje COMO SE EXPLICA?? afunda com sedimentos Mar Morto bacia fechada sem consumo corpos hipersalinos Que sal é este? COMPOSIÇÃO DO SAL 72 elementos são identificaveis na água marinha mg/l cálcio (Ca) magnésio (Mg) sódio (Na) potássio (K) bicarbonato (HCO 3 ) sulfato (SO 4 ) 0,419 1,304 10,710 0,390 0,146 2,690 diatomáceas e radiolários moluscos, cloro (Cl) 19,350 foraminíferos, crustáceos, corais bromio (Br) 0,070 precipitação Total 35,079 veja Adicionados em períodos com maior atividade tectônica silica (SiO 2 ) ferro (Fe) cálcio (Ca) magnésio (Mg) sódio (Na) potássio (K) bicarbonato (HCO 3 ) sulfato (SO 4 ) cloro ( Cl) Total % dos elementos totais mar rio - 14,51-0,74 1,19 16,62 3,72 4,54 30,53 6,98 1,11 2,55 0,42 31,90 7,67 12,41 55,16 8,64 100,0 100,0

15 CELULA DE CIRCULAÇÃO Scientific America - A recirculação da água induz a retirada de magnésio e sulfatos e a adiciona calcio e potássio. Sendo assim, durante alguns períodos de maior atividade tectônica global, haveria maior concentração de cálcio na água favorecendo a reprodução de organismos com carapaças calcáreas Falésias de Dover - Inglaterra DISTRIBUIÇÃO DO SAL NO PLANETA

16 EXTINÇÃO NO PERMIANO 250 M ANOS Desaparecimento de: - 90% das espécies marinhas - 65% dos respteis e anfíbios terrestres - 30% dos insetos Fauna e Flora desapareceram - 42% das famílias - 72% dos gêneros Erwin, Sci.Am Erwin, Sci.Am ESPONJAS, CRINÓIDES, BRAQUIÓPODOS NAULILOIDES, BRIOZOA, CORAL TRILOBITA, ALGA, VERMES, PEIXES CELACANTO, AMONÓIDES, VERMES BIVALVES, OURIÇO, SIRI, ALGA ESCALÓPODO, PEIXES, ESTRELA DO MAR EXTINÇÃO NO CRETÁCEO 65 M ANOS IODP - Smithsonian Museum TECTITOS IODP - Smithsonian Museum IODP - Smithsonian Museum Fauna e Flora desapareceram - 47% dos gêneros