Monitorando a Terra do espaço: novas tecnologias por satélite. Eder C. Molina

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1 Monitorando a Terra do espaço: novas tecnologias por satélite Eder C. Molina

2 SATÉLITES ARTIFICIAIS Atualmente existem satélites artificiais orbitando a Terra, e aproximadamente pedaços de espaçonaves, segundo o Goddard Space Flight Center. Mais de objetos lançados ao espaço já reentraram na atmosfera terrestre desde o início da era espacial.

3 SATÉLITES ARTIFICIAIS Maneiras de utilizar um satélite orbitando a Terra: - como um alvo para determinar posições - como um sensor do campo de gravidade ou do campo magnético da Terra - transportando instrumentos para realizar medições Causas das perturbações na órbita dos satélites: - atração gravitacional da Terra - atração gravitacional do Sol, Lua e outros corpos - forças de marés terrestre e oceânica - atrito com a atmosfera - pressão de radiação solar

4 Sputnik 1 Sputnik 1 (Спутник-1), "Satélite 1", ou, literalmente co-viajante 1, também chamado originalmente de ПС-1 (PS-1, i.e. "Простейший Спутник-1", ou Satélite Elementar 1). O Sputnik 1 foi o primeiro satélite artificial a ser colocado em órbita geocêntrica, em 4/out/1957, sendo o primeiro de uma série de satélites conhecidos coletivamente como Programa Sputnik.

5 Sputnik 1 O Sputnik 1 foi lançado por meio de um foguete R-7, desenhado originalmente para carregar ogivas nucleares russas. A modificação deste foguete posteriormente possibilitou o lançamento das espaçonaves Soyuz. R-7 8K72 Vostok

6 Sputnik 1 O Sputnik 1 ajudou a identificar a densidade das camadas atmosféricas a partir das medidas de suas mudanças de órbita, e forneceu dados inéditos sobre a distribuição de radiofreqüências na ionosfera. Em sua arquitetura o satélite tinha o corpo preenchido por nitrogênio pressurizado, o que permitiu que fosse utilizado como o primeiro evidenciador da existência de meteoritos, pois no caso do casco ser penetrado por meteoróides, haveria uma queda interna de pressão, e conseqüente mudança na temperatura do satélite, que era informada continuamente para a base de operações na Terra. Figura fora de escala

7 Explorer-I O Explorer-I, denominado oficialmente de Satellite 1958 Alpha, foi o primeiro satélite norte-americano, lançado em 31/jan/1958 (22:48h, hora local), ou 01/fev/1958 (03:48h, hora universal), como parte do programa Ano Geofísico Internacional.

8 O Explorer-I foi lançado por meio de um foguete Juno I, que foi uma modificação feita em tempo recorde de um foguete Júpiter-C. Após o lançamento do Sputnik 1, houve uma crise nos EUA, conhecida como crise Sputnik, e em 84 dias o Explorer-I e o Juno I foram construídos. Antes do trabalho ter sido terminado, porém, em 03/nov/1957, a União Soviética lançou o Sputnik 2. Explorer-I Juno I Júpiter-C

9 Sputnik 2 O Sputnik 2 (Спутник-2, Satélite 2) foi o segundo satélite artificial a ser colocado em órbita na Terra, em 03/nov/1957. O satélite tinha uma forma cônica, com 4 metros de altura e uma base com 2 metros de diâmetro. Seu corpo era dividido em diversos segmentos, que abrigavam rádio transmissores, um sistema telemétrico, uma unidade de programação, um sistema de controle de temperatura e vários instrumentos científicos.

10 O Sputnik 2 carregava também uma inimaginável novidade: o primeiro ser vivo terrestre a permanecer em órbita. A cadela Laika, cujo nome significa latidora, era uma moradora de rua de Moscou, que foi recolhida a um abrigo de animais, e posteriormente selecionada para a tarefa. Sputnik 2 a cadela Laika Seu nome original era Kudryavka (кудрявка), mas logo ela ficou mundialmente conhecida por seu apelido, proveniente de seu comportamento arrojado. Laika foi treinada com dois outros cachorros, e foi selecionada para a missão. Laika, a pioneira espacial Belka e Stelka, passageiras do Sputnik 5, normalmente são confundidas com Laika.

11 Sputnik 2 a cadela Laika Laika pesava 6 kg e foi acondicionada em uma cabine pressurizada, com espaço suficiente para deitar ou ficar sobre as patas. Um sistema de regeneração de ar garantia uma atmosfera adequada, e comida e água na forma gelatinosa eram oferecidas constantemente para a ilustre viajante. Uma coleira mantinha Laika contida, e uma sacola para recolher os dejetos fazia parte de seu traje espacial, bem como eletrodos para monitorar os seus sinais vitais. Os primeiros sinais recebidos indicavam que ela estava agitada, mas comendo e bebendo normalmente. Como não havia condição de trazer o módulo de volta para a Terra, Laika seria sacrificada por meio de uma refeição envenenada servida 10 dias após o lançamento da Sputnik 2. Em out/2002 foi revelado pela agência espacial Russa que Laika morreu algumas horas após o lançamento, de stress e superaquecimento. Ainda assim, ela provou que um ser vivo poderia sobreviver às duras condições de um lançamento espacial, e abriu uma nova fronteira para a conquista espacial.

12 Sputnik 2 Os cinturões de Van Allen Os dados científicos provenientes do Sputnik 2 eram transmitidos às estações de solo por meio de um sistema de telemetria Tral D, que permitia um envio de dados de 15 minutos a cada órbita. Dois fotômetros estavam entre os equipamentos do satélite, para permitir a medida da intensidade de raios ultravioleta e raios-x, bem como de raios cósmicos. O Sputnik 2 não foi capaz de detectar os cinturões de radiação de Van Allen, por um problema de configuração do posicionamento do satélite, que estava muito ao norte enquanto era monitorado pela URSS. Como não carregava um registrador, não podia armazenar os dados coletados, e no momento em que estava em uma configuração favorável à detecção, infelizmente não conseguia transmitir as informações para a Terra. Os contadores Geiger do satélite, porém, indicaram um aumento na radiação na região de 400 a 700 km de altitude, mas isso não foi interpretado como algo incomum na época.

13 Cinturões de Van Allen Os cinturões de radiação de Van Allen são toróides de partículas energéticas carregadas (plasma) que circundam a Terra, com configuração dada pelo campo magnético terrestre. Estes cinturões estão intimamente relacionados à ocorrência de auroras, quando as partículas carregadas interagem na alta atmosfera e apresentam o fenômeno de fluorescência. A presença deste cinturão de radiação já havia sido proposta antes da era espacial, mas foi confirmada apenas pelo Explorer I e Explorer III, sob a supervisão do Dr. James Van Allen, do qual se origina o nome.

14 O programa Landsat é o mais longo projeto em tempo de operação de aquisição de imagens da Terra. O primeiro satélite foi lançado em 1972, e o mais recente, o Landsat 7, foi lançado em abr/1999. Os instrumentos a bordo do satélite já adquiriram milhões de imagens, que são arquivadas nos EUA e ao longo de todo o mundo, e utilizadas para aplicações na agricultura, geologia, cartografia, reflorestamento, planejamento urbano e segurança nacional. Landsat Landsat 7 em sua montagem

15 Landsat O Landsat 7 tem oito bandas espectrais com resolução espacial variando de 15 a 60 metros. Sua missão primária é renovar o arquivo global de imagens de satélite, fornecendo imagens atualizadas e livres das influências das nuvens. O satélite foi projetado com vida útil de 5 anos, e com a capacidade de coletar e transmitir até 532 imagens por dia. Sua órbita é polar e síncrona com o Sol, o que significa que ele varre completamente a superfície da Terra. Em sua altitude de 705 ± 5 km, ele leva 232 órbitas, ou 16 dias para coletar imagens ao redor da Terra toda. Imagem de Washington fornecida pelo Landsat 7. As cores são artificiais.

16 O Envisat (Environmental Satellite) é um satélite europeu para observação da Terra. Lançado em 01/mar/2002, a bordo de um foguete Ariane 5, tem órbita polar síncrona com o Sol, com altitude de 790 ± 10 km. Sua órbita dura 101 minutos, e seu ciclo de repetição é de 35 dias. É o maior satélite europeu já lançado, com massa total de kg. O Envisat leva um conjunto de 9 instrumentos de observação que coletam informação sobre o solo, a água, o gelo e a atmosfera, utilizando uma variedade de princípios de medição. Envisat

17 Imagens obtidas pelo Envisat Correntes marinhas mapeadas na região do Mar Mediterrâneo pelo Envisat Folhas de outono vistas pelo Envisat na região dos Grandes Lagos

18 MetOp é a sigla de uma série de satélites meteorológicos de órbita polar operados pela European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites. Os satélites fazem parte do Sistema Polar EUMETSAT, e pretende-se que sejam os sucessores do futuro aposentado conjunto de satélites TIROS. O primeiro satélite desta série foi lançado em 19/out/2006, equipado com os mesmos equipamentos existentes nos satélites TIROS, com a adição de alguns instrumentos de medição de componentes atmosféricas. MetOp

19 TIROS A série de satélites TIROS teve seu início de operação em O nome provém de Television Infrared Observation Satellite, e estes satélites são operados pelo NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration EUA). Os satélites TIROS operam em órbita polar, e obtiveram grande sucesso científico, proporcionando imagens detalhadas e precisas que permitiram a realização de precisas previsões de tempo a partir de seus dados.

20 GRACE O objetivo da missão GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) é obter a determinação mais precisa e de mais elevada resolução das componentes estática e dinâmica do campo de gravidade terrestre. Pretende-se com esta missão permitir a medida precisa da movimentação da massa de água no planeta, por meio da perturbação causada por esta movimentação no campo de gravidade. Estas medidas permitirão o estudo de questões envolvendo a variação global do clima e o melhor entendimento das correntes oceânicas e transporte de calor nos oceanos. Além disso, a missão deve fornecer subsídios para os estudos de correntes oceânicas profundas e de tectonismo no planeta.

21 GRACE O mapeamento das variações do campo de gravidade obtidas pelo GRACE originalmente envolvia o tempo de 5 anos, mas este período foi estendido para 8 anos em Os satélites-gêmeos da missão foram lançados em 17/mar/2002 da base de lançamento russa Plesetsk, em um foguete do tipo Rockot SS- 19, e foram colocados em uma órbita polar de altitude 500 km, com a separação de 220 km entre si. Os dois satélites mantêm um monitoramento constante de microondas um do outro, bem como de seu próprio movimento, por meio de acelerômetros, câmeras estelares e satélites GPS. Os dois satélites possuem também refletores ópticos que permitem o rastreamento por laser a partir de estações terrestres.

22 GRACE Detecção de cratera de impacto gigante A cratera Wilkes Land é uma estrutura gigante recentemente detectada na Antártida por meio dos dados do campo de gravidade fornecidos pelos satélites GRACE. Esta estrutura é formada por uma enorme cratera de impacto que está presente abaixo da camada de gelo, não sendo, portanto, detectável por observação direta. A estrutura é muito maior do que a cratera de Chicxulub, que supostamente teria sido formada pelo impacto do meteorito que causou a extinção dos dinossauros há 65 Ma.

23 Esta missão consiste num projeto conjunto realizado entre as agências espaciais americanas (NASA) e francesa (CNES), e tem seu nome proveniente de ocean TOPography EXperiment, e do nome do deus grego Poseidon. O satélite carrega dois altímetros que partilham a mesma antena, mas apenas um deles opera de cada vez, com a preferência sendo dada ao TOPEX (nos primeiros dez anos da missão, na média, a cada 10 ciclos 9 foram do TOPEX). Os dados desta missão indicam que o nível médio do mar se elevou aproximadamente 3 mm desde TOPEX/POSEIDON

24 A missão altimétrica TOPEX/Poseidon foi implementada para medir a topografia da superfície oceânica. Sua cobertura foi quase global, indo de 66 N a 66 S, quase a totalidade dos oceanos livres de gelo, e operou do final de 1992 ao final de A elevada precisão do satélite permitiu uma estimativa precisa do nível médio global do mar a cada dez dias. O TOPEX/Poseidon parou de enviar dados em out/2005, por mal funcionamento de uma engrenagem, e foi desativado em 18/jan/2006. TOPEX/POSEIDON

25 TOPEX/POSEIDON Tsunami de 2004 Os satélites TOPEX/POSEIDON e Jason 1 conseguiram obter dados do tsunami de 2004 ao passarem sobre o local por onde a onda se deslocava no oceano aberto. Anomalias de 50 cm de altura na água do mar foram detectadas por este meio, e isto forneceu uma ferramenta inestimável para a compreensão dos fenômenos de terremotos e tsunamis. Ao contrário dos sensores e bóias instalados próximos da costa, as medidas tomadas no oceano permitem calcular os parâmetros da fonte do tremor com muito maior precisão, por não serem sujeitas às mudanças do formato e da altura da onda que ocorrem nas proximidades da costa.

26 Jason 1 A missão Jason 1 de altimetria por satélite visa medir a topografia da superfície oceânica, sendo a sucessora da missão TOPEX/Poseidon. Esta missão é um projeto conjunto entre as agências espaciais americana (NASA) e francesa (CNES), e o satélite foi lançado em 07/dez/2001 por meio de um foguete Boeing Delta II. Durante os primeiros meses o Jason 1 manteve uma órbita quase idêntica à do TOPEX, o que permitiu sua precisa calibração. Ao final deste período, o TOPEX foi levado a uma nova órbita que coincide com a metade da distância entre cada trilha do Jason 1. O ciclo de repetição do Jason 1 é idêntico ao do TOPEX, de 10 dias.

27 A missão GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer ) utiliza um satélite que foi lançado em 16/mar/2009, carregando um Gradiômetro Gravimétrico Eletrostático (EGG) para medir as componentes do tensor gradiente gravimétrico da Terra. O satélite tem uma forma aerodinâmica, parecendo uma nave de espionagem dos filmes de ação, que permite sua estabilização na altitude de operação de 260 km, onde ainda existem resquícios de atmosfera. GOCE

28 GOCE Os dados da missão GOCE vão ter inúmeros usos, sendo utilizados tanto para a detecção de áreas de risco próximas a estruturas com atividade vulcânica quanto para a identificação precisa do comportamento do oceano. Combinando os dados provenientes do GOCE com os dados da topografia da superfície oceânica obtidos por meio de outros satélites, os cientistas serão capazes de identificar com precisão a direção e a velocidade das intrincadas correntes oceânicas. A missão GOCE vai determinar com precisão as componentes do campo de gravidade terrestre

29 GOCE - aplicações Qual é a altitude exata do monte Everest? As expedições mais recentes discordam entre si em valores que podem atingir 5 metros! Uma expedição chamada Geodetic Journey está a caminho da montanha, para determinar, com precisão sem precedentes, utilizando posteriormente os dados do GOCE para o processamento das informações, qual é a altitude do ponto mais alto da Terra.

30 GOCE - aplicações Assim como para a determinação da altitude do Everest, muitas aplicações de engenharia e posicionamento prescindem do conhecimento preciso do campo de gravidade terrestre, que define, entre outras coisas, a direção da vertical e do plano horizontal em cada ponto da superfície do planeta. Como resultado de um grande número de fatores, como a distribuição de massa heterogênea e a forma irregular da Terra, a gravidade varia de ponto para ponto, e isso afeta a direção da vertical e do plano horizontal em cada ponto da Terra.

31 SRTM A Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) foi um esforço internacional para obter modelos digitais de elevação em escala global de 56 S a 60 N, resultando no mais completo banco de dados topográficos de alta resolução do planeta. Para isso, um sistema de radar modificado foi utilizado a bordo do ônibus espacial Endeavour durante os 11 dias da missão STS-99, em fev/2000. Duas antenas, uma no compartimento de carga da Endeavour e outra na ponta de um mastro de 60 m de comprimento, permitiram a aquisição dos dados com uma técnica chamada de SAR (radar de abertura sintética).

32 SRTM A SRTM foi um projeto conjunto entre a NASA e a NIMA (National Imagery and Mapping Agency), com participação do centro espacial alemão DLR. O SAR obteve mais de 8 terabytes de dados e permitiu a elaboração de imagens topográficas sem precedentes da superfície terrestre. Os dados da SRTM atendem à especificação ITHD-2 (Interferometric Terrain Height Data), com resolução de 30 m x 30 m com resolução vertical absoluta de 15m.

33 SRTM imagem da Argentina Size: 55.0 x 37.2 kilometers ( 34.1 x 23.1 miles) Localização: 40.4 graus S, 71.3 graus W, com orientação W para o topo da imagem. Data de aquisição: fev/2000. Dimensão maior da área: 50 km.

34 SAR - princípios O radar de abertura sintética (SAR) utiliza um tipo sofisticado de processamento de dados de radar para produzir um feixe efetivo muito estreito. Esta técnica só pode ser usada por meio de instrumentos em movimento e alvos estáticos. Uma antena transmite radiação eletromagnética que é refletida pelo alvo e retorna ao sensor. Sendo assim, o método independe de iluminação, e o tipo de radiação utilizado não é afetado pela presença de nuvens, tornando-o perfeito para medidas precisas e livres de interferências. Dados adquiridos em 13/abr/1994 e 04/out/1994 na banda X do SAR a bordo da Endeavour foram utilizados para gerar franjas interferométricas, que foram superpostas e deram origem à imagem X-SAR do vulcão Kilauea, no Havaí. O vulcão está no centro da imagem, que cobre 9 x 13 km de extensão.

35 SAR - aplicações A imagem mostra a comparação de interferogramas de 4 anos consecutivos mostrando a rápida subsidência da região do campo de petróleo de Lost Hills, na Califórnia. O campo de petróleo tem 1,5 km de largura e 6 km de extensão. Cada interferograma foi criado a partir de pares de imagens tomadas por SAR a partir de dois satélites (ERS-1 e ERS-2) e foram combinadas para estimar a deformação ou as mudanças ocorridas entre as datas de coleta de dados. Os resultados mostram a subsidência vertical da superfície. Em roxo estão as regiões que não sofreram mudanças ao longo do tempo, e em branco estão áreas onde não foi possível obter imagens de SAR, principalmente em regiões agrícolas onde a vegetação alterou as propriedades observadas pelo radar.

36 SMOS - Soil Moisture & Ocean Salinity A missão SMOS foi planejada para obter dados precisos a respeito do ciclo global da água. As trocas de massa de água entre a terra, o oceano e a atmosfera são os principais fatores que influenciam o padrão do clima e do tempo. A evaporação causada pela insolação é transformada posteriormente em precipitação em diferentes locais daterra. A evaporação e a precipitação sobre os oceanos afetam a salinidade, mudando a densidade da água e o comportamento das correntes marinhas. Salinidade e temperatura são os dois principais fatores que controlam a densidade da água, que traz impacto direto no sistema de circulação oceânica.

37 SMOS - Soil Moisture & Ocean Salinity O sistema global de circulação oceânica que transporta calor pela superfície terrestre é controlado por diversos fatores, e a temperatura da superfície do oceano é um dos mais medidos por satélites. A medição da umidade dos solos traz uma informação muito valiosa para os modelos hidrológicos, e é de enorme importância para a previsão de eventos climáticos extremos e seus efeitos. O conteúdo de água no solo tem influência direta no fluxo de água e energia na superfície terrestre, e determina a quantidade de evaporação superficial.

38 ISS A estação espacial internacional A Estação Espacial Internacional (ISS) é um aparato de pesquisa que está sendo montado gradativamente no espaço. Ela se encontra em uma órbita baixa e pode até ser vista da Terra a olho nu. Sua altitude varia de 319,6 a 346,0 km de altitude, e sua velocidade média de percurso é de km/h, completando 15,7 órbitas por dia. A ISS é um projeto conjunto das agências espaciais americanas (NASA), russa (RKA), japonesa (JAXA), canadense (CSA) e de vários países europeus (ESA).

39 ISS A estação espacial internacional A Agência Espacial Brasileira participa da ISS por um contrato à parte com a NASA, sendo responsável pelo fornecimento de uma parte da ISS. A Agência Espacial Italiana também têm diversos contratos separados para tarefas específicas na ISS. with NASA. A China manifestou interesse em participar da ISS, principalmente se puder trabalhar em conjunto com os russos, mas isso ainda não foi implementado. Estágio atual da ISS, após a troca de coletores solares que foram danificados recentemente.

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