NASA monitoriza o peso da Terra, determina o centro de massa

As mudanças sazonais redistribuem água suficiente à volta da Terra para deslocar o centro de massa do planeta para a frente e para trás em frações de uma polegada em relação ao seu centro geométrico. Os cientistas da NASA estão a investigar o caso, acompanhando essas oscilações, uma vez que o centro de massa da Terra é um ponto de referência crucial para a navegação por satélite e para as medições de altitude.

Uma equipa, liderada pelo JPL da NASA, no sul da Califórnia, propôs uma forma de calcular as oscilações sazonais com extrema precisão. A técnica e as conclusões foram detalhadas num novo estudo publicado na revista Geophysical Journal International. Os autores traçam um quadro vívido do degelo da primavera, dos oceanos agitados e do ar denso do inverno, que deslocam enormes cargas superficiais de estação para estação.

O estudo não é a primeira tentativa de determinar com precisão o centro de massa da Terra. Ao longo de décadas, os cientistas têm vindo a desenvolver várias técnicas espaciais para o definir e localizar. Mas trata-se de um alvo em movimento. Se a Terra fosse um rígido berlinde azul, o seu centro de massa coincidiria simplesmente com o seu centro geométrico. Na realidade, o planeta oscila e cede sob o peso da água, do gelo e do ar. Por causa disso, o centro de massa da Terra gira continuamente em torno do seu centro geométrico, deslocando-se até vários milímetros.

Qual é o grau de precisão dos métodos existentes para medir a amplitude desta oscilação? As duas últimas estimativas internacionais, realizadas em 2017 e 2023, diferem em 7 milímetros, aproximadamente a altura de três moedas de 1 Euro empilhadas. A diferença é quase tão grande quanto o próprio movimento.

Para reduzir a incerteza, o geocientista Donald Argus, do JPL, liderou o desenvolvimento de uma nova técnica baseada no rastreio ultrapreciso por satélite.

Impulsionados pela gravidade, os satélites orbitam naturalmente o centro de massa da Terra, como se estivessem presos por cordas invisíveis. Pequenas alterações na distância entre os satélites e as estações terrestres refletem a deslocação do centro de massa da Terra.

A utilização de satélites para localizar o centro de massa da Terra não é uma ideia nova. Na verdade, satélites metálicos densos, lançados em 1976 e 1992, destinam-se exclusivamente a este fim. Assemelhando-se a bolas de espelhos com 408 kg, ambos os LAGEOS 1 e 2 (Laser Geodynamics Satellite) estão repletos de prismas refletores e são rastreados com precisão a laser por estações terrestres distribuídas globalmente por mais de 20 países.

No entanto, uma limitação da técnica SLR (Satellite Laser Ranging) é a distribuição desigual das estações terrestres. A nova técnica melhora a precisão de duas formas: integra o rastreio por GPS, juntamente com dados orbitais de vários satélites em órbita terrestre baixa, para proporcionar um conjunto diversificado de alvos. Além disso, tem em conta a forma como o peso da água e do gelo deforma a crosta terrestre, levando as estações terrestres a acompanhar esse movimento.

A técnica foi desenvolvida por Argus em colaboração com investigadores da equipa de determinação de órbitas de satélites do JPL, da Universidade do Nevada, da Universidade de Montana e do Centro Helmholtz de Geociências, na Alemanha.

“Estamos agora a estimar que a amplitude do movimento do centro de massa da Terra para a frente e para trás, todos os anos, seja cerca de metade do que acreditávamos ser há oito anos”, afirmou Argus. “As nossas descobertas sugerem que a massa da água e do ar da Terra que se desloca entre os hemisférios é menor do que se pensava anteriormente”.

Felix Landerer, um dos coautores do estudo no JPL, observou que “embora estes movimentos possam parecer insignificantes, o nosso mundo moderno depende de medições de posicionamento extremamente precisas. Ao desvendar e compreender os mecanismos que alteram os sistemas de referência, podemos construir melhores sistemas de referência que, em última análise, beneficiam o mapeamento e a navegação – desde a logística global de transporte marítimo até à agricultura de precisão”.

O que descobriram

Os autores do estudo acompanharam a oscilação sazonal do centro de massa da Terra e atribuíram a causa a três categorias: oceanos, atmosfera e água continental (composta por gelo terrestre, neve, água de lagos e rios, humidade do solo e águas subterrâneas).

Descobriram que a acumulação de neve na América do Norte e na Eurásia atinge o seu máximo em março e desloca o centro de massa da Terra cerca de 3 milímetros em direção ao polo norte. Um mês depois, em abril, a água da chuva na bacia do rio Amazonas atinge um pico de 2400 gigatoneladas, deslocando o centro de massa da Terra 2,2 milímetros na direção da América do Sul. A água das monções no sudeste asiático atinge um máximo de 600 gigatoneladas seis meses depois, em novembro, contribuindo ligeiramente para a oscilação anual.

Entre agosto e outubro, os oceanos enchem-se com água do degelo e da chuva, e o centro de massa da Terra desloca-se em direção ao Oceano Pacífico Sul. O Oceano Pacífico é tão vasto que as variações de massa nessa região ofuscam as perdas ou ganhos nos outros oceanos, embora as dinâmicas sazonais nos mares Mediterrâneo, Vermelho, do Norte, Báltico e de Barents contribuam, cada um à sua maneira, para deslocar o centro de massa da Terra.

Os investigadores utilizaram um modelo desenvolvido pelo ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) para estimar como as alterações atmosféricas afetam o centro de massa da Terra ao longo das estações do ano. Descobriram que o ar frio e denso do inverno contribui para inclinar a balança sobre a Arábia, a Ásia e o norte de África por volta de 21 de dezembro de cada ano, e sobre a América do Sul e a África do Sul por volta de 21 de junho.

Os cálculos de massa apresentados no estudo estão em concordância com as observações realizadas pela missão GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On). Lançada em 2018, a missão é composta por dois satélites gémeos que mapeiam as flutuações mensais na atração gravitacional da Terra, devidas principalmente ao movimento da massa de água acima e abaixo do solo. Os dois satélites voam em formação precisa e, quando o satélite da frente passa por cima de um corpo denso, como uma bacia hidrográfica cheia, a atração gravitacional adicional altera a distância entre ele e o seu gémeo numa quantidade pequena, mas mensurável.

A missão GRACE-FO é uma parceria entre a NASA e o GFZ (Helmholtz Centre for Geosciences). A missão GRACE-C (GRACE-Continuity), de próxima geração, tem lançamento previsto para o final de 2028, com vista a prolongar o registo de dados da série GRACE, que conta já com quase 25 anos.

// NASA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Geophysical Journal International)

Saiba mais:

Centro de massa:
Wikipedia

Centro geométrico:
Wikipedia

Terra:
NASA
Wikipedia

LAGEOS (Laser Geodynamics Satellite):
NASA
Wikipedia

GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On):
NASA
Universidade do Texas
Wikipedia

GRACE-C (Gravity Recovery and Climate Experiment-Continuity):
NASA