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Monitorando a Terra do espaço:
novas tecnologias por satélite
Eder C. Molina
SATÉLITES ARTIFICIAIS
Atualmente existem 2.465 satélites artificiais orbitando a Terra, e aproximadamente 6.216
pedaços de espaçonaves, segundo o Goddard Space Flight Center. Mais de 16.291 objetos
lançados ao espaço já reentraram na atmosfera terrestre desde o início da era espacial.
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
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”.
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
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.
Fig
ura
fora
de
esca
la
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.
Explorer-I
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.
Júpiter-C
Juno I
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.
Sputnik 2 – a cadela Laika
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.
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.
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.
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.
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.
Landsat
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 7 em sua montagem
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.
Envisat
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 8.211 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.
Imagens obtidas pelo Envisat
Folhas de outono vistas pelo Envisat na
região dos Grandes Lagos
Correntes marinhas mapeadas
na região do Mar Mediterrâneo
pelo Envisat
MetOp
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.
TIROS
A série de satélites TIROS teve seu início de
operação em 1960. 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.
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.
GRACE
O mapeamento das variações do campo de
gravidade obtidas pelo GRACEoriginalmente envolvia o tempo de 5 anos,
mas este período foi estendido para 8 anos em
2005.
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.
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.
TOPEX/POSEIDON
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
1992.
TOPEX/POSEIDON
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 2005. A
elevada precisão do satélite permitiu
uma estimativa precisa do nível
médio global do mar a cada dez
dias. O TOPEX/Poseidonparou de enviar dados em out/2005,
por mal funcionamento de uma
engrenagem, e foi desativado em
18/jan/2006.
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.
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.
GOCE
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
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
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.
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.
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).
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.
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.
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.
SAR - aplicaçõesA 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.
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 da Terra.
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.
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.
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
27.744 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).
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.
