Nas décadas de 1960 e 1970, os astronautas da Apollo montaram uma coleção de sismômetros lunares para detectar possíveis terremotos lunares. Estes instrumentos monitorizaram a actividade lunar durante oito anos e deram aos cientistas planetários uma visão indirecta do interior da Lua. Agora, os pesquisadores estão desenvolvendo novos métodos para técnicas e tecnologias de detecção de terremotos lunares. Se tudo correr bem, os astronautas da Artemis irão implantá-los quando retornarem à Lua.

O cabo de fibra óptica é o coração de uma rede sismológica a ser implantada na Lua pelos futuros astronautas da Artemis.

A nova abordagem, chamada de sensoriamento acústico distribuído (DAS), é ideia do professor de geofísica da CalTech Zhongwen Zhan. Ele envia raios laser através de um cabo de fibra óptica enterrado logo abaixo da superfície. Os instrumentos em cada extremidade medem como a luz do laser muda durante os tremores induzidos pelo tremor. Basicamente, o plano de Zhan transforma o cabo numa sequência de centenas de sismógrafos individuais. Isso fornece informações precisas sobre a força e o momento dos tremores. Surpreendentemente, um cabo de fibra óptica de 100 quilómetros funcionaria como o equivalente a 10.000 sismógrafos. Isto reduz o número de instrumentos sísmicos individuais que os astronautas teriam de utilizar. Provavelmente também proporciona alguma economia de custos.

  Uma estação sismográfica implantada na Lua durante a missão Apollo 15.  Cortesia da NASA.
Uma estação sismográfica implantada na Lua durante a missão Apollo 15. Cortesia da NASA.

DAS e Apollo na Lua

Compare o DAS com os dados do sismógrafo da missão Apollo e rapidamente se torna óbvio que o DAS é uma grande melhoria. Na época da Apollo, a pequena coleção de instrumentos deixados na Lua fornecia informações “ruidosas”. Essencialmente, quando as ondas sísmicas viajaram por diferentes partes da estrutura lunar, elas se espalharam. Isto foi particularmente verdadeiro quando encontraram a camada superficial empoeirada. O “ruído” basicamente confundiu os sinais.

O layout do Experimento de Perfil Sísmico Lunar Apollo para a missão Apollo 17. Cortesia Nunn, et al.

O que o DAS faz para detectar terremotos na Lua

O sistema DAS posiciona emissores laser e coletores de dados em cada extremidade de um cabo de fibra óptica. Isso permite múltiplas instalações amplamente espaçadas que medem a luz à medida que ela transita pela rede. O cabo consiste em fios de vidro e cada fio contém pequenas imperfeições. Isso parece ruim, mas cada imperfeição fornece um “waypoint” útil que reflete um pouco da luz de volta à fonte. Essas informações são registradas como parte de um conjunto de dados maior. A instalação de um tal sistema de cabos de telecomunicações numa grande área fornece milhões de pontos de passagem que os cientistas podem utilizar para medir movimentos sísmicos na Terra.

Um estudo recente liderado pelo pesquisador de pós-doutorado da CalTech Qiushi Zhai implantou este tipo de sistema de cabo de fibra óptica habilitado para DAS na Antártida. As condições imitam alguns dos desafios ambientais de uma implantação lunar – é um frio congelante, muito seco e muito distante das atividades humanas. Os sensores mediram os pequenos movimentos causados ​​pela quebra do gelo e pela movimentação. Esses tipos de sinais são análogos perfeitos aos terremotos lunares.

Vista aérea da Antártica.  Um protótipo do sistema lunar DAS para as missões Artemis à Lua detectou pequenos tremores de movimentos de gelo aqui.  Crédito da foto: L. McFadden 2008
Vista aérea da Antártica. Um protótipo do sistema lunar DAS para as missões Artemis à Lua detectou pequenos tremores de movimentos de gelo aqui. Crédito da foto: L. McFadden 2008

Medindo um terremoto lunar usando DAS

Como o DAS funciona bem na medição de pequenos tremores induzidos pelo gelo, parece ser o “próximo passo” perfeito na sismologia lunar. Na Lua, o cabo de fibra óptica seria enterrado (assim como os cabos na Terra) alguns centímetros abaixo do nível do regolito. Ele ficará ali esperando pelo próximo terremoto, o que provavelmente não demorará muito, já que a Lua parece tremer com frequência. Quando alguém atinge, suas ondas sísmicas se moverão através do solo a partir da fonte. Eles vão mexer no cabo. Isso afetará o caminho da luz no interior. As ações da luz atingindo milhares de imperfeições dentro do cabo fornecerão aos geólogos lunares dados de alta precisão sobre os terremotos lunares. Isso inclui suas origens, tempo de viagem e outros aspectos da onda que os ajudarão a entender mais sobre a estrutura lunar pela qual viajam.

A natureza distribuída da rede sísmica terá uma grande vantagem sobre os sismógrafos individuais do tipo Apollo utilizados no passado. E há outras razões para usar o DAS, segundo Zhai. “Outra vantagem de usar DAS na Lua é que um cabo de fibra óptica é fisicamente bastante resistente ao severo ambiente lunar: alta radiação, temperaturas extremas e poeira pesada”, disse Zhai.

Estrutura da Lua e DAS

Zhai é o primeiro autor de um artigo que descreve o sistema DAS, que deverá permitir aos cientistas detectar perto de 100% dos tremores lunares. O artigo oferece uma visão sobre as vantagens que o DAS oferece. Em particular, tal conjunto estendido por grandes áreas da Lua deverá fornecer dados de qualidade muito superior até mesmo sobre os mais pequenos tremores que agitam a superfície.

Como a Lua não é tectonicamente ativa, seus terremotos não ocorrem pelas mesmas causas que ocorrem na Terra. Alguns acontecem durante o período do pôr do sol/nascer do sol, quando as mudanças de temperatura afetam a superfície. Outros acontecem graças à atração da Terra sobre a Lua, e outros ainda ocorrem porque a Lua ainda está esfriando e se contraindo. O artigo de Zhai sugere que o DAS poderia detectar cerca de 15 terremotos lunares por dia, e talvez ajudar a caracterizar melhor os terremotos lunares térmicos que acontecem ao nascer/pôr do sol e os mais profundos que ocorrem durante as porções de perigeu e apogeu de sua órbita, e aqueles intrínsecos à contração da Lua. Além disso, os impactos na Lua também geram terremotos. As informações sobre todos esses eventos devem dar aos cientistas planetários uma grande vantagem na compreensão da estrutura interior lunar.

A implantação do DAS e de outras experiências científicas fará parte das operações de superfície das missões Artemis. Fará parte de uma das estadias propostas de sete meses para equipes de astronautas. Embora não haja uma data específica planejada para a implantação do sismógrafo, é provável que ela ocorra o mais tardar em meados da década de 2030. Isso depois das missões planejadas para construir abrigos, implantar usinas de energia e outras atividades para criar as bases lunares.

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