radiação

A Terra habita no Espaço e daqui advém naturalmente uma necessidade de perspectiva de conjuntoO tema que nos trás aqui hoje é a Radiação, uma temática muito vasta e abrangente. Todos nós temos medo da radiação mas estamos constantemente rodeados por ela. Dela dependemos para viver e para usufruir de todas as tecnologias do mundo de hoje. Desde as alterações climáticas na Terra à exploração do espaço, a discussão do tema da radiação está na Agenda:

O que é a Radiação? Que tipos de Radiação? Qual a que nos rodeia na Terra? Qual a Radiação no espaço livre e por exemplo em Marte? Que futuro para a exploração do espaço pelo Homem? Em resumo: o que sabemos sobre a Radiação e como nos estamos a encaminhar na nossa Jornada?

Vamos explorar estas questões ao longo de uma série de crónicas. Nesta primeira, vamos começar com a radiação electromagnética.

O que é a Radiação ?

A Energia é uma grandeza Física multifacetada, que pode ser encontrada sob diferentes formas. A Radiação por sua vez é transporte de Energia.

A radiação electromagnética  transporta energia em forma de ondas ou partículas sem massa, os fotões. Uma onda electromagnética é constituída por campos eléctricos e magnéticos oscilantes. É caracterizada pelo seu comprimento de onda, frequência e velocidade. Para a onda electromagnética se propagar não precisa de matéria, pode-se propagar no vazio! Neste caso a sua velocidade de propagação é a velocidade da luz. Um exemplo bem nosso conhecido é o caso das electromagnéticas enviadas pelo Sol.

Para compreender as grandezas que caracterizam uma onda electromagnética pensemos num outro tipo de ondas com os quais estamos mais familiarizados: pensemos numa onda criada no centro de um lago por uma pedra que se desloca periodicamente para cima e para baixo. Se tivermos uma folha, no meio do lago, vemos que ela se desloca igualmente para cima e para baixo sem se arrastar para a borda. O tempo entre duas subidas consecutivas da folha chama-se Período (o seu inverso frequência). A distância entre duas cristas da onda que se propagam no lago chama-se comprimento de onda. Uma pequena experiência ilustrativa sobre estes conceitos no caso de onda a propagar-se numa tina de água pode ser encontrada aqui:

Podemos também ter radiação constituída por feixes de partículas (com massa, carregadas electricamente ou neutras).

Os diferentes tipos de radiação associados a cada uma destas duas categorias de radiação têm diferentes propriedades e penetram a matéria e os tecidos biológicos de maneira distinta.

Quando uma radiação penetra num material deposita a sua energia. A energia absorvida por um Kilograma de material é chamada de Dose absorvida. Na maior parte dos casos, estamos interessados nos efeitos da exposição da radiação nos tecidos humanos. Assim temos que ponderar a energia absorvida por um factor que toma em consideração o facto de algumas radiações serem mais nocivas para o tecido biológico do que outras, mesmo que a energia depositada seja a mesma. Após esta ponderação obtemos a dose equivalente que mede o efeito relativo da energia absorvida de uma determinada radiação sendo a sua unidade o Sievert (Sv). A Dose efectiva toma para além disso em consideração o orgão que foi irradiado e é ponderada por um factor que toma em atenção que alguns tecidos podem sofrer mais riscos com a radiação do que outros.

A radiação define-se como ionizante, se possuir suficiente energia para libertar iões dos átomos e portanto ioniza-los. Nos organismos vivos a radiação pode provocar efeitos biológicos negativos nomeadamente nas células e no seu conteúdo genético em particular perante exposições prolongadas.

 A Radiação Electromagnética

Para compreender a radiação electromagnética temos antes de mais que estender a nossa noção de escala: do muito pequeno como o átomo de Hidrogénio (de diâmetro cerca de 0,0000000001 m)  ao muito grande como por exemplo a distancia da Terra ao sol (cerca de 150 000 000 Km) como vemos na figura:

Crédito: Andy Berger, Smaller than microscopic

Os diferentes comprimentos de onda da radiação electromagnética (espectro da radiação) podem ser comparados ao tamanho de objectos tão grandes como um edifício ou tão pequenos como um núcleo no centro do átomo:

Crédito: National Magnetic field Laboratory

Uma viagem pelas diferentes regiões do espectro electromagnético pode ser encontrada aqui.

No caso do espectro da radiação electromagnética solar, vamos encontrar componentes no domínio vizivel aos nossos olhos, mas também componentes ultra-violeta, infravermelho, raios X e gama : Em virtude da temperatura do Sol ser cerca de 5728 oC, a intensidade de radiação tem o seu máximo no domínio do visível, mas também emite radiação com outros comprimentos de onda como sabemos quando vamos comprar o nosso protector solar! Já a Terra que tem uma temperatura mais baixa de 15 oC. Tem o máximo de radiação no domínio do infravermelho como podemos ver neste gráfico:

Crédito: ATMO

Quanto menor for o comprimento de onda da radiação, maior será a sua interacção com matéria microscópica. Por exemplo, se uma onda com um grande comprimento de onda passa por uma formiguinha “não a vê”. Tem de ter um comprimento do tamanho da formiga para “a ver”  (dizemos nós em gíria, tem de estar no mesmo alinhamento ou no mesmo comprimento de onda …. Senão passa-lhe ao lado!!!!).  Parte da radiação electromagnética que vem do Sol é ionizante. Aquela com menores comprimentos de onda como a radiação ultravioleta e raios gama que pode ter efeitos biológicos nocivos. O espectro da radiação ionizante e não ionizante está representado na Figura:

Crédito: Kim Mey Chew

Vemos também nesta imagem alguns exemplos de como o Homem replica os fenómenos naturais, e usa as ondas electromagnéticas para muitas aplicações tecnológicas de que dependemos na nossa vida diária.

A Radiação solar no Planeta Terra:

Parte da radiação electromagnética solar é reflectida ou absorvida na atmosfera ou nas nuvens. A absorção da radiação ultravioleta mais energética pela camada de Ozono protege-nos dos seus efeitos nocivos, sendo vital para a vida na Terra.

Outra parte é reflectida e absorvida pela superfície Terra como se mostra na figura:

Crédito: Earth´s Energy Balance

A radiação electromagnética reflete-se na superfície terrestre mas de maneira diferente pelos oceanos, regiões terrestres, e pelas superfícies cobertas com gelo e nuvens (correspondendo neste caso a uma menor reflexão). Isto está ilustrado pelas diferentes cores representadas no lado esquerdo da imagem obtida pelo CERES (Clouds and the Earth´s Radiant Energy System). A Terra também absorve a radiação electromagnética proveniente do Sol, e emite radiação (radiação térmica) no domínio do infravermelho também representada na mesma figura do lado direito.

Crédito: CERES Science Team, NASA Langley Research Center

O efeito de estufa e a temperatura em Terra e Marte

Do balanço entre a energia proveniente da radiação solar, reflectida na atmosfera e no sistema Terra, bem como absorvida e emitida pela superfície Terrestre resulta o seu orçamento energético do qual dependem os seres vivos.

Parte da radiação electromagnética absorvida pela Terra é emitida de volta para o espaço. No entanto, outra parte fica capturada pela atmosfera mantendo a temperatura da Terra através de um processo de sintonia perfeita: As moléculas de dióxido de Carbono, CO2, que existem em pequena percentagem na atmosfera terrestre (contrariamente as moléculas de Nitrogénio e Oxigénio que constituem maioritariamente a atmosfera) conseguem absorver e re-emitir para a Terra esta radiação mantendo a sua temperatura. Nesta pequena animação, podemos ver um fotão de radiação infravermelha a colidir e fornecer toda a sua energia a numa molécula de CO2 que começa a vibrar. Pouco depois, liberta toda a energia e emite novamente um fotão de radiação infravermelha.

Uma dança entre a radiação térmica emitida pela Terra e os estados de vibração da pequenas pequenas moléculas de CO2. Nada é deixado ao acaso !!! …..  Este é um dos mecanismos do chamado efeito de estufa, que funciona como um cobertor que captura a radiação infravermelha para manter a Terra quente e permitir a vida que conhecemos hoje. Sem este efeito a Terra estaria coberta de gelo. O facto de Marte possuir uma atmosfera tão fina faz com que tenha um pequeno efeito de estufa e a sua temperatura seja tão negativa.

Mas como todas as boas coisas, ter demais pode não ser bom…. Admite-se hoje, que o excesso de dióxido carbono libertado para a atmosfera terrestre seja um dos mecanismos que tenha contribuído para alterar o orçamento energético terrestre perfeito, e para o aquecimento global, pondo em risco eminente a civilização e o mundo natural.

Uma pequena demonstração experimental sobre o papel do Dióxido de Carbono na absorção de radiação térmica pode ser vista aqui:

***Aceite a sugestão do Bit2Geek e leia Planeta Vermelho: as notícias que ajudam o processo de colonização de Marte

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Doutorada em Física Nuclear Teórica pela Universidade de Surrey, Reino Unido, e é actualmente Professora do Departamento de Física do Instituto Superior Técnico. Trabalha como cientista em Física Nuclear Teórica, Teoria das Reacções Nucleares, núcleos exóticos produzidos por feixes de iões radioactivos e reacções de interesse Astrofísico. Foi Membro do INTC (2015-2017) (ISOLDE and Neutron Time-of-Flight Experiments Committee). O Laboratório ISOLDE destina-se à produção de feixes de iões radioactivos a baixas energias para aplicação no domínio da Física Nuclear e Atómica, bem como das Ciências dos Materiais e da Vida. Foi membro do Comité Científico R3B/Nustar/FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research in Europe), um novo laboratório internacional (International Acelerator Facility), destinado entre outros a estudar a estrutura da matéria e a evolução do Universo.. Autora e Co-Autora de cerca de 100 publicações científicas em revistas internacionais e edições especiais com referee. Participou em 19 projectos científicos financiados (8 como investigadora principal) e como convidada em diversas palestras internacionais. Membro Internacional de comités de Conferências em Física Nuclear.