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Estrutura responsável pelo envio do feixe de luz
à atmosfera
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Ao
criar a primeira máquina capaz de gerar um raio laser, em 1960,
provavelmente o físico Theodore Maiman não imaginava
que sua invenção, em tão pouco tempo, passaria
a ser utilizada em múltiplas e tão distantes funções,
como, por exemplo, na leitura de CDs, em cirurgias, obturações
dentárias, sistemas de segurança de empresas, leitura
de cartões magnéticos, como facas para o corte de chapas
de aço, em aplicações militares caso do
projeto norte-americano Guerra nas Estrelas, em que satélites
equipados com poderosos lasers serão colocados em órbita
, em análises das deformações no solo causadas
por vulcões, permitindo o acompanhamento e previsão
das erupções, na gravação de polímeros
(plásticos especiais) ou na reprodução humana,
onde o laser é usado como pinça para furar a membrana
de um óvulo, permitindo sua fecundação por um
espermatozóide.
Mas uma das mais recentes e fantásticas aplicações
dessa tecnologia é na medição dos níveis
da poluição atmosférica. O Instituto de Pesquisas
Energéticas e Nucleares (Ipen), ligado ao governo estadual
e situado no campus da USP na capital, começou a medir, no
último dia 20, por meio de um feixe de laser, em tempo real,
a concentração de poluentes até uma altura de
15 quilômetros sobre o município de São Paulo.
Essa primeira iniciativa do projeto fez parte de uma campanha de medidas
simultâneas de poluição que também envolveu
pesquisadores do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências
Atmosféricas (IAG), do Instituto de Física (IF), ambos
da USP, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), da Universidade
Técnica de Atenas (Grécia) e da Companhia de Tecnologia
de Saneamento Ambiental (Cetesb), num total de 30 pessoas. Nessa
primeira etapa colhemos dados do laser sobre os níveis de poluição
da capital paulista que foram posteriormente analisados e transformados
em números para serem comparados com os resultados de outras
técnicas de medida que foram utilizadas simultaneamente como,
por exemplo, um aparelho que utiliza som ao invés de luz,
explica o físico Nilson Dias Vieira Junior, diretor do Centro
de Lasers e Aplicações (CLA) do Ipen e conselheiro da
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São
Paulo, a Fapesp. O objetivo é continuar a utilizar o
laser em medições futuras, aprimorando suas aplicações.
O laser utilizado pelo Ipen, chamado de Light Detection and Ranging
(Lidar), propaga o feixe de luz verticalmente, a partir do solo, até
a altura previamente determinada pelos cientistas, de acordo com a
região da atmosfera a ser pesquisada. Nosso principal
alvo são as camadas de inversão e seus poluentes formados
por partículas tóxicas menores que dez micrometros,
dimensão que permite sua fuga dos filtros do organismo, como
o nariz, entrando nos pulmões e causando uma série de
doenças que podem levar, inclusive, à morte, como vem
ocorrendo em Jacarta, capital da Indonésia, diz Vieira.
O monitoramento da mobilidade das camadas de poluentes sobre
a cidade, principalmente com relação a sua aproximação
e distanciamento do solo, são fundamentais para que os órgãos
de controle possam traçar suas políticas e estratégias
para lidar com o problema.
De acordo com o pesquisador, o método permite acompanhar, a
cada instante, as variações das concentrações
de poluentes, produzindo resultados em tempo real. No momento da realização
da entrevista, ocorrida no dia 23 de agosto, por volta das 11h30,
a equipe do CLA detectou que a camada com os poluentes estava a uma
altura de 905 metros acima do Ipen, que fica em um terreno situado
a mais de 800 metros acima do nível do mar e se estendia por
cerca de oito quilomêtros. Isso significa que as áreas
mais altas da cidade ficam mais próximas da poluição.
Mas elas têm a vantagem de dissipar de maneira mais rápida
os poluentes, graças à ação do vento,
que não é tão eficiente nas regiões mais
baixas.
O laser lançado pelo Ipen na atmosfera se espalha pelas partículas,
mil vezes menores que um milímetro (cada micrometro equivale
a um milímetro dividido por mil). Parte da luz refletida volta
à Terra e é captada por um coletor luminoso, que emite
um sinal proporcional à quantidade de partículas que
estão espalhando a luz do laser. Por meio dessa interação
é que os cientistas têm condições de determinar
o perfil da distribuição dos poluentes na camada estudada.
Segundo Vieira, as principais origens da poluição na
capital se encontram nos gases emitidos pelos escapamentos dos automóveis
(carros, ônibus e caminhões) e na movimentação
de terra gerada pelas atividades da construção civil.
Entretanto, a cidade também acaba sendo vítima dos gases
emitidos pelas indústrias da região do ABC, pois uma
significativa parte deles acaba chegando a São Paulo por meio
da ação dos ventos.
O pesquisador explica que, anos atrás, o Ipen foi procurado
pela Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo para
assessorá-la na instalação de um Lidar. Entretanto,
o alto custo, na época cerca de US$ 2 milhões, e o fato
dos equipamentos comerciais disponíveis não se adequarem
a todas as necessidades previstas levaram a equipe do CLA a iniciar
um processo de desenvolvimento de um sistema próprio, mais
barato e que suprisse todas as demandas. Graças a acordos
internacionais de cooperação e com o apoio da Fapesp
e do CNPq foi possível ao Ipen tornar o projeto realidade,
conta. O sistema acabou saindo por US$ 100 mil, o que não
é muito se pensarmos nos benefícios sociais envolvidos,
e seu desenvolvimento permitiu a formação de massa crítica
capacitada no planejamento desses sistemas e na sua operação.
Para manter o aparelho, o Ipen gasta cerca de R$ 1 mil por mês
em insumos, sem contar os salários dos pesquisadores. Além
do Ipen, o Inpe, situado em São José dos Campos, interior
do Estado de São Paulo, também possui um Lidar, há
anos em operação, mas utilizado para outros tipos de
pesquisa.
Três pesquisadores e três alunos de pós-graduação
estão envolvidos no projeto, que prevê uma segunda etapa,
onde serão medidos com maior precisão os tamanhos das
partículas dos poluentes, e uma terceira, dedicada ao estudo
dos níveis de ozônio na atmosfera paulistana, com o objetivo
de monitorar eventuais e perigosas diminuições desse
gás, fundamental para nossa proteção contra a
radiação solar.
Pesquisa
de ponta
Vieira informa que, em 2003, em data a ser definida, o satélite
norte-americano NOA, portador de um Lidar, vai passar sobre São
Paulo para fazer medições em conjunto com o equipamento
do Ipen, visando à análise do papel dos poluentes
das altas camadas da atmosfera e das formas como eles circulam pelo
planeta podendo chegar até mesmo a outros países.
Em Moscou, por exemplo, equipamentos registraram a presença
na atmosfera de partículas de areia oriundas do deserto do
Saara, afirma Vieira. Essa cooperação
nos permitirá traçar um quadro mais completo da circulação
dos poluentes em escala nacional e mundial.
O feixe de laser do Lidar é verde e, de noite, pode ser visto
a olho nu, sem prejuízo algum à saúde. Há
um caso registrado de um adolescente que conseguiu ver o raio da
janela de um apartamento na região da avenida Paulista.
E para o final de 2003, o Ipen prepara outra novidade. Trata-se
de um novo laser, o Table Top Terawatt Laser System (Laser de Potência
de Terawatt de Topo de Mesa). Mais potente que o Lidar, esse raio
enfoca áreas maiores e permite que os pesquisadores possam
descobrir quais são os tipos de partículas formadoras
dos poluentes das camadas atmosféricas e em que quantidades
elas se encontram. Sem o Table Top, para obter o mesmo resultado
um pesquisador precisa ter a sua disposição um conjunto
de raios laser diferentes, cada um voltado para a análise
de um tipo de partícula, explica Vieira. Esse
laser é tão potente que durante um instante de um
femtosegundo, ou seja, um segundo dividido por 15 trilhões
de partes iguais, ele gera cerca de um terawatt de potência.
Para se ter uma idéia do que significa essa grandeza física,
um e meio terawatt é o valor aproximado de toda a capacidade
energética do planeta. É por isso que o período
de geração desse laser precisa ser ínfimo pois,
do contrário, sua existência seria impossível,
diz. Se até lá nenhum outro país construir
um Table Top, o Brasil será a terceira nação
do mundo a possuir essa tecnologia, hoje disponível também
na França, graças a um convênio firmado com
seus vizinhos alemães.
Da
relatividade ao infinito
Em 1917,
Albert Einstein publicou os resultados de um estudo que mostrou que
os fótons, ao incidirem de forma concentrada sobre átomos,
podiam fazê-los produzir grande quantidade de luz.
Anos depois, em 1954, Charles Townes, professor da Universidade de
Colúmbia, inventou o maser, processo semelhante ao do laser,
mas que gerava microondas. A descoberta acabou lhe rendendo, dez anos
depois, o Nobel de Física, ganho em conjunto com seus colaboradores,
Aleksandr Prokhorov e Nicolai Basov.
Graças ao pioneirismo de Townes, em 1960 Theodore Maiman criou
a primeira máquina de raios laser (light amplification by stimulated
emission of radiation). Esta máquina funcionava com um rubi
e produzia luz vermelha.
O rubi é um cristal de óxido de alumínio que
contém um pouco de cromo, meio ativo que forma o laser por
meio da emissão estimulada de fótons sobre ele.
Em 1966, Charles Kuen Kao e G. A. Hockman concluíram que a
luz do laser pode ser conduzida dentro de tubos finíssimos,
a hoje popular fibra ótica. Já em 1979 a Philips lançou
o CD, pequeno disco que, aos poucos, substituiu o LP e, atualmente,
está eliminando o uso de disquetes e fitas de vídeo.
O último Nobel relacionado às pesquisas com laser foi
concedido em 1999, para o químico Ahmed Zewail, que usou o
raio para mostrar como os átomos se movimentam nas diferentes
etapas de uma reação química. |