Universidade Estadual Paulista Faculdade de cincias e tecnologia
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Universidade Estadual Paulista Faculdade de ciências e tecnologia Geofísica Origem da Terra sob a ótica científica Prof. Dr. João Fernando C Silva Departamento de Cartografia ( contribuição do Prof. Dr. José Milton Arana ) Presidente Prudente, SP
Geofísica – Capítulos – 2019 Introdução 1 Origem e evolução da Terra 2 Campo geomagnético e (paleo)magnetismo 3 Campo da gravidade e gravimetria 4 Geotermia 5 (A crosta e a) Teoria da deriva continental e tectônica de placas 6 Forças que impulsionam as placas litosféricas 7 Sismologia e sismicidade 8 Ondas elásticas e ondas sísmicas 9 Geofísica aplicada 10 Atmosfera terrestre 11 Propagação de ondas na atmosfera 12
Origem da Ciência Antes do advento da filosofia helênica, apenas as crenças mitológicas eram aceitas para explicar a criação da Terra, da vida, das estrelas, de tudo, inclusive dos fenômenos naturais observados (chuva, trovão, relâmpago, terremoto etc. ). Grécia (Egito) Antiga. Filósofos. Início no séc. VI a. C. Tales de Mileto, Pitágoras, Sócrates, Platão, Aristóteles, Ptolomeu, Euclides, Anaxágoras, Anaximandro, Hiparco, Hipócrates, Eratóstenes, Hipátia. . . Século XV. Renascimento. Montaigne, Copérnico, Giordano Bruno, F. Bacon, R. Descartes, Galileu Galilei, I. Newton, . . . , Gauss. . . Fundamentos do método científico (séc XVI) -: Bacon (1561 -1626), Galileu (1564 -1642), Descartes (1596 -1650).
O método científico É o caminho da evolução desde as observações astronômicas de Galileo por lunetas até os mais desenvolvidos satélites e telescópios. Nos últimos cinco séculos, o método científico conduziu o pensamento humano para adquirir, sistematizar e propagar o conhecimento. E hoje, o que sabemos sobre a origem da Terra?
A Terra está no centro do Universo? Sim? Não? Do nosso ponto de vista, tudo se afasta da Terra. Afinal, é aqui que moramos e daqui observamos os fenômenos. Com o passar dos anos, a Terra recebe mais luz do universo e o compreende melhor.
Origem do Universo (~14 b. anos) Especula-se que uma grande explosão (big bang) acionou o início do Universo. Não existem vestígios sobre o antes. Pode ter havido outros universos (um multiverso), ou este multiverso pode ainda existir, mas não o enxergamos ainda. O big bang ocorreu há ~14 bilhões de anos, quando uma massa em estado extremamente denso e quente, o chamado “átomo primordial”, começou a se expandir, afastando os objetos continuamente, movimento que persiste até hoje.
Se começou a expandir, é porque antes era imutável? Duas teorias principais: 1) o universo nunca foi estático, sempre esteve em expansão, com múltiplas realidades; imutável é uma impressão devido à limitação da tecnologia (telescópios). 2) antes do big bang, o universo era vasto e foi encolhendo até se tornar o “átomo primordial”; agora está se expandindo.
Estimar a idade do universo com base apenas na lógica do big bang é algo fragilmente aproximado porque a investigação tem base na propagação da energia luminosa e isso explica apenas ~4% do Universo (o que é sensível à luz). Todo o resto, 96%, supostamente é preenchido por coisas ainda não bem explicadas: - a energia escura e a matéria escura, que não somos capazes de ver. Hubble foi o primeiro a estimar a idade do Universo.
A constante de Hubble e a idade do universo Estimativa de Hubble (1929) Ho = 500 km. s-1. Mpc-1 v=d/t to = 1 / H o to = 1, 9 bilhão de anos Estimativa mais recente (2013) Ho = 67, 15 km. s-1. Mpc-1 v=d/t to = 1 / H o to = 14, 2 bilhões de anos
O que terá sido criado com o big bang, supostamente? 1 – Espaço; 2 – Tempo; 3 – Matéria; 4 – Temperatura; 5 – Energia Cinética; 6 – As 4 forças da natureza; 7 – Forças desconhecidas. . . Leis básicas: - a energia cinética explica as partículas em movimento; - a gravidade explica a atração das partículas; - a temperatura afasta as partículas (as mais quentes para as menos quentes); - a força eletromagnética repele e atrai (campo eletromagnético).
Origem do Sistema Solar (~4, 6 a ~5 b. anos) Centenas de milhões de anos pós big bang, nuvens de hidrogênio e hélio se condensaram em estrelas e galáxias. => Uma poeira de gás cósmico, nebulosa, passou a circular no sistema solar há 5 b. de anos. Em princípio, há duas forças opostas que se equilibram nas nebulosas: a gravidade, que tende a contraí-las, e a pressão térmica, que tende a expandi-las. Quando a nebulosa está relativamente fria e com massa suficiente para que a força gravitacional seja maior que a térmica, começa a contração da nebulosa.
Gravidade, força centrífuga, energia cinética, energia térmica O choque (inicial) com outra nebulosa propiciou a força centrífuga, que forçou os gases a circularem em torno de uma concentração de partículas, o Sol, que conservou mais calor do que a periferia. A força da gravidade da massa centrada e aquecida (Sol) tenderia a produzir uma esfera. Entretanto, a resultante entre a gravidade e a força centrífuga provocou o achatamento da nebulosa (forma de disco).
Formação do Sistema Solar Ao achatar cada vez mais, a nebulosa tornou-se um disco, com o centro no Sol, e grãos de poeira em sua órbita. Os grãos passaram a colidir uns com os outros e milhões de anos depois formam-se elementos mais pesados.
Redistribuição dos elementos mais e menos pesados Os materiais mais leves e fragmentados foram “soprados” pelos ventos solares para longe, acarretando uma redistribuição dos elementos.
Arranjo das massas fluidas Juntamente com a redistribuição dos elementos, o movimento das partículas em torno do Sol fez com que houvesse turbulência em alguns pontos. Esta turbulência, consequência do atrito hidrodinâmico, formou os planetas com rotação em torno do próprio eixo.
Origem dos planetas Perto do Sol, a temperatura é mais alta e os materiais mais leves evaporam. O gelo evaporou; restaram apenas rochas e metais.
Os planetas mais próximos do Sol são de pequeno porte e possuem muito ferro, níquel e alumínio (Mercúrio, Vênus, Terra e Marte). Longe do Sol - temperatura muito baixa - os aglomerados viraram planetas com mais matéria gasosa do que sólida (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno).
Origem do planeta Terra (~4, 5 b. anos): produto da formação do SS
Origem da Lua Não se sabe ao certo como a Lua se formou; há 4 teorias:
Lua: irmã ou filha da Terra Irmã da Terra (co-formação, abaixo) ou filha da Terra (centrifugação, à direita). Os materiais da Lua são similares aos da Terra.
Como se atualizou a estimativa da idade da Terra. Até os anos 50 (1950 -60, séc XX), os cientistas estimavam que não passava de 100 milhões de anos: - calculava-se com base no tempo que a Terra demorara perder calor até chegar na temperatura observada à época; - Problema! Aquela idade estimada (~100 M. a. ) não se coadunava com a teoria evolutiva de Darwin. . . Solução: estudos da radiação - decaimento beta pela força fraca (radioatividade). . O elemento químico urânio consome bilhões de anos para virar chumbo; há chumbo em estado natural na Terra. . . A conclusão foi que o urânio, supostamente presente no momento da formação da Terra, sugeriria que a idade da Terra não poderia ser inferior ao seu tempo de vida, portanto, impossível ter menos que b. de anos. . . Em conjunto com outros dados, estima-se que as rochas presentes na Terra tenham, pelo menos, ~4, 6 b. de anos de vida.
Estrutura da Terra No início, a Terra era um planeta muito quente com elementos pesados: uma bola de ferro no núcleo do planeta rodeada por rocha derretida. Com o passar dos milhões de anos, a Terra perdeu calor; O que originou uma estreita camada de rocha na crosta terrestre sólida e mais fria há 4 bilhões de anos.
Hidrosfera: as águas da Terra Não havia água na Terra. A água é um composto demasiado volátil para ter estado presente na formação; estava muito quente e os elementos mais leves foram soprados para longe. A água deve ter vindo de zonas mais frias do Sistema Solar (cometa de gelo? ). O derretimento deste cometa na Terra gerou os mares. Ao longo de muito tempo, ocorreu o resfriamento da superfície terrestre, em processos cíclicos e sucessivos de evaporação, condensação e precipitação.
Atmosfera As moléculas transitam do mais quente para o mais frio. A lava mais quente no interior da Terra foi expelida por vulcões. A lava expelida liberou O 2 e CO 2 na atmosfera. O oxigênio reage com o ferro. O vapor d’água existente na atmosfera é devido à evaporação do mar.
A origem dos continentes (~3, 5 b. anos). . . , a maior parte da crosta terrestre já estava formada. A configuração dos continentes na crosta terrestre era muito diferente da atual. A teoria da Deriva Continental foi muito aceita por anos: todas as massas continentais faziam parte de um único bloco, denominado de Pangea. A quebra deste supercontinente deu origem a dois continentes: a Laurásia, no Norte, a Gondwana ao Sul. Estes continentes foram sendo fragmentados até tomarem a forma atual. Explicação: Tectônica de placas litosféricas
Origem da Vida 1) Seres unicelulares na água (~ 3, 5 b. de anos ) 2) Sensores (olhos, pele, pelo etc) sensíveis à luz solar; 3) Migração dos mares para os continentes; 4) Dinossauros (há 230 milhões até 350 m. de anos); 5) Seleção natural (Darwin): – o mais forte ou o que melhor se adapta é o que sobrevive; 6) Origem do homem (de 1 -4 milhões de anos);
Homo sapiens: ~200 mil anos Escrita: ~4 mil a. C. século XX Renascimento: séc XV
Geofísica e a estrutura da Terra A Terra não é homogênea: sugerido por métodos geofísicos. Considerando as características de rigidez e fluxo do material, a Terra pode ser dividida em litosfera, astenosfera, mesosfera e núcleo. Considerando a composição química e propriedades físicas (densidade dos elementos), a Terra pode ser dividida em crosta, manto e núcleo.
modelos: química x física 1 - Acelerador de partículas permitirá entender um pouco sobre matéria e energia escura (Buraco Negro). 2 – Materiais com campo magnético imantado permitiram minimizar gastos da resistência elétrica (PC que não esquenta p. ex. ). 3 – Energia Elétrica via Wi. Fi. 4 – Água em Marte (Senso. Remoto). 5 – Reality show em Marte. 6 – Morte do Sol. 7 – Existe vida fora da Terra? Até onde podemos ver no Universo, não existe. Saltos elétricos aliado ao sensoriamento remoto permitem ver composição dos planetas no Universo. . mas são infinitas possibilidades.
Núcleo metálico e pesado - gravimetria e magnetismo
Como conhecemos a composição do interior da Terra? Sismologia – GNSS e sismógrafos - terremotos Magnetismo – Magnetômetros - campo magnético Eletromagnetismo – Voltímetros - corrente elétrica Geotermia – medição do fluxo térmico, ie, energia térmica perdida pela Terra Gravimetria – gravímetros – aceleração da gravidade outros. . .
Sismologia e sismicidade – GNSS e sismógrafos – terremotos GNSS itrf. ensg. ign. fr Sismógrafos http: //geofon. gfz-potsdam. de/eqinfo/seismon/globmon. php
Magnetismo – magnetômetros – campo magnético Magnetômetros http: //www. lund. irf. se/Helios. Home/geomag_arrays. html
Geotermia – medição do fluxo térmico International Heat Flow Commission http: //www. geophysik. rwth-aachen. de/IHFC/heatflow. html
Gravimetria – gravímetros – determinam a aceleração da gravidade GOCE EGM 2008 - http: //earth-info. nga. mil/Gand. G/wgs 84/gravitymod/egm 2008/
Atmosfera A atmosfera pode ser representada por duas: neutra e ionizada. A atmosfera neutra pode ser organizada por um perfil representativo da temperatura A ionizada é mais bem representada por um perfil da densidade eletrônica
Como estudamos a composição da atmosfera? Neutrosfera – GNSS (ZTD), rádio ocultação, radiossondas, e estações meteorológicas. Estações meteorológicas: - Sensor de pressão (pressure transmitter) - Piranômetro (radiação solar) - Termômetros (temperatura) - Higrômetros (umidade) http: //www. cptec. inpe. br/ http: //www. hurricanescience. org
Importância da ionosfera GNSS, rádio ocultação, magnetômetros, ionossondas, foguetes com sondas, imageador all-sky (airglow), . . . , para obter dados e alimentar os modelos físicomatemáticos.
TEC no Brasil Ionosfera – GNSS, Rádio Ocultação, magnetômtros, ionossondas, foguetes com sondas, imageador all-sky (airglow). http: //www 2. inpe. br/climaespacial/portal/pt/
Conclusão Na escala da existência do universo, do sistema solar, da Terra, da vida na Terra, do homem na Terra, a Geofísica está apenas no estágio do “encontro do espermatozoide com o óvulo”. No tempo da ciência experimental, iniciada no século XVI, está na infância. Objetivamente iniciada nos primórdios do século XX, a Geofísica estaria na adolescência? Se esta breve analogia for válida, a Geofísica Pura tem muito o que crescer, mediante a investigação científica e tecnológica. A Geofísica Aplicada sempre se beneficiará do conhecimento científico trazido pela Geof. Pura. Já apresenta resultados práticos consideráveis, embora muito ainda tem a aprender para prever os cataclismos que afetam a vida na superfície terrestre (terremotos, erupções vulcânica, tsunamis, etc. ).
Referências. . . CLARK, S. P. Estrutura da Terra. São Paulo: Blücher, Universidade de São Paulo, l 973. 122 p. (Série de Textos básicos de Geociências). PRESS, F. et al. Para entender a Terra. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. STACEY, F. D. Physics of the Earth. New York: John Wiley. l 977. TEIXEIRA, W. et al. Decifrando a Terra. São Paulo: Oficina de Textos. 2000. 3ª reimpressão, 2008. TELFORD, W. M. ; GELDART, L. P. ; SHERIFF, R. E: KEYS, D. A. Applied Geophysics. New York: Cambridge UP. l 978. http: //www. iag. usp. br/geofisica/ www. NASA. gov www. on. br (Observatório Nacional).
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