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

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A ÁGUA NO UNIVERSO

H2O

http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html

O BIG BANG – uma bomba ou explosão do

próprio espaço?

Jean-Francois COLONNA

Lineweaver and Davis 2005 – SciAm.

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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.

ρ

gás = 1 átomo / cm -

ρ

ar = 30x10 mol / cm 3 18 3 http://www-ssg.sr.unh.edu/ 74.25 % _1% 24.75 %

O HIDROGÊNIO

Imagem em falsa cor da emissão de ondas de rádio na Via Láctea, identificando nuvens de átomos

neutros de hidrogênio. NASA 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 1.420.000.000 Hz

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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.

Com o tempo formam-se todos os

elementos da tabela periódica, finalizando com o ferro – núcleo da estrela –

interrupção do processo de fusão e total colapso da matéria. Adensamen to de nuvens de hidrogênio precedendo a formação de uma estrela

Gás insterestelar aquecido pelo choque de uma onda de gás ejetado pela explosão de uma supernova – azul = oxigênio e verde = hidrogênio.

NASA

A ÁGUA NO UNIVERSO

Formação de molécula de água

H H

O

Constelação de Orion

1968 – água foi vista no espaço pela 1a. Vez

Observação de radiotelescópios mostram o spectro de ondas curtas de uma nebulosa núcleo ferro-silicoso onda de choque

Explosão recente de uma supernova - NASA

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.

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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 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”

A terra se forma entre 50 e 100 milhões de anos após a formação do sistema

solar

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FORMAÇÃO DA TERRA E OCEANO

4570 Ma:período de acresção, formação do núcleo, formação de densa atmosfera, oceano de magma

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

História da terra primordial – Halliday (2001) e Zhang (2002)

4550 Ma: ultimo grande impacto de

protoplaneta

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.

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A HISTÓRIA DO ZIRCÃO

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

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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

¾ As rochas lunares datam de 4,5 bilhões de anos

¾ A Lua apresentou atividade tectônica até aproximadamente 2 bilhões de anos ¾ A Lua não tem um núcleo ferroso – as rochas são basicamente silicosas ¾ A Lua não possui minerais voláteis, como água, potássio e sódio

¾ O choque do asteróide aumenta a velocidade de rotação da Terra ¾ O calor gerado pelo choque transforma 65% da Terra em magma.

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FORMAÇÃO DA LUA

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.

Southwest Research Institute

FORMAÇÃO DA TERRA E OCEANO

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.

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.

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

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FORMAÇÃO DA TERRA E OCEANO

sol Mercurio Venus Terra Marte

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 atual Zona habitável há 4.5 B de anos

ÁGUA EM MARTE

EVOLUÇÃO DA VIDA

cianobactérias

estromatólitos

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

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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

concentração de 02 aumenta de 1% para 15% entre 2200 Ma e 1900 Ma Formação de depósitos de minério de ferro 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 continentes estáveis e oceanos

1as células vivas

1as células fotosintéticas

liberação O2 por

fotosíntese Respiração _aeróbica

holocausto do oxigênio rocha + antiga

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GASES NA ATMOSFERA

Claude J. All gre and Stephen H. Schneider 1994 SciAm

EVOLUÇÃO DA VIDA

Fundo do mar no Cambreano

ausência de esqueletos calcáreos Explosão do Cambreano

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EVOLUÇÃO DA VIDA

¾Formação de 70% dos

escudos continentais

¾Plantas terrestres (ozônio

na atmosfera)

¾Extinção de 90% da vida na

Terra trilobitas

Terra em Bola de Neve

“Snowball Earth”

SNOWBALL

EARTH

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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

50 000 000 000 000 000 tons =

Camada de 170 m de sal cobrindo

todos os continentes

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EVOLUÇÃO QUÍMICA

De onde veio o sal?

Gradual adição pelos rios através do intemperismo das rochas

O

OCEANO ERA DOCE INICIALMENTE

.

afunda com sedimentos

COMO SE EXPLICA??

Erosão continental anual = 4.000.000.000 tons de sal + fontes vulcânicas

4 x 10

9

_{anos x 4}

_x

₁₀

9

_{tons sal /anos = 1,6}

_x

₁₀

18

_{tons sal >> 0,05}

_x

₁₀

18

_tons

existentes hoje

Mar Morto – bacia fechada – sem consumo corpos hipersalinos

COMPOSIÇÃO DO SAL

Que sal é este?

72 elementos são identificaveis na água marinha

cálcio (Ca) magnésio (Mg) sódio (Na) potássio (K) bicarbonato (HCO₃) sulfato (SO₄) cloro (Cl) bromio (Br) Total

mg/l

0,419 1,304 10,710 0,390 0,146 2,690 19,350 0,070 35,079 silica (SiO₂) ferro (Fe) cálcio (Ca) magnésio (Mg) sódio (Na) potássio (K) bicarbonato (HCO₃) sulfato (SO4) cloro ( Cl) Total - 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 % dos elementos totais

mar rio diatomáceas e radiolários moluscos, foraminíferos, crustáceos, corais precipitação

Adicionados em períodos com maior atividade tectônica

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CELULA DE CIRCULAÇÃO

Scientific America - http://www.sciam.com/explorations/1998/070698atlantis/index.html

Falésias de Dover - Inglaterra

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

DISTRIBUIÇÃO DO SAL NO PLANETA

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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

ESPONJAS, CRINÓIDES, BRAQUIÓPODOS NAULILOIDES, BRIOZOA, CORAL TRILOBITA, ALGA, VERMES, PEIXES

CELACANTO, AMONÓIDES, VERMES BIVALVES, OURIÇO, SIRI, ALGA

ESCALÓPODO, PEIXES, ESTRELA DO MAR

Erwin, Sci.Am. 1996

EXTINÇÃO NO CRETÁCEO – 65 M ANOS

TECTITOS

Fauna e Flora – desapareceram

- 47% dos gêneros

IODP - Smithsonian Museum