Três maneiras para monitorar erupções vulcânicas e a Física por trás delas.

Os vulcões são estruturas fascinantes, o berço do desenvolvimento da vida na Terra. Mas também são arautos da devastação, como ocorreu há 252 milhões de anos onde massivas erupções pelo planeta levaram ao fim 95% da vida na Terra durante o Permiano-Triássico. São sem dúvida a força mais devastadora que há no planeta. Ainda assim, é uma estrutura extremamente interessante e explorada por diversas culturas ao redor do planeta.


Não é incomum ver civilizações verem os vulcões como divindades. Um exemplo é o Monte Fuji, no Japão, que é acreditado por muitos ser portador dos segredos da vida eterna[1]. Os Incas - mais próximos da gente, no Peru - realizavam diversos rituais no Ubinas, um dos muitos vulcões do país, contando com até rituais de sacrifícios infantis[2].


Tanta atenção e devoção não são em vão. As erupções vulcânicas são um dos espetáculos mais incríveis - além de perigosos, é claro - da Terra. Quando há uma erupção o mais normal de acontecer é a evacuação dos locais ao redor da montanha de fogo (figura 1[3]), para diminuir os seus efeitos e evitar a morte dos habitantes. Mas como podemos saber com mais eficiência quando haverá uma erupção para que os moradores possam tomar as devidas providências? Veremos nesse texto.


Figura 1: Campo de evacuados em Klungkung, Indonésia.


Abordaremos três maneiras de monitoramento de erupções - entre muitas outras. Vamos falar da utilização de espectroscopia, da utilização de RPCs (sigla em inglês para Câmara de Placas Resistivas) e da EDM (sigla em inglês para Medições Eletrônicas a Distância). Vamos começar com os mais simples de se entender: a EDM e as RPCs.


1. Medição Eletrônica a Distância: o funcionamento desse método baseia-se em mudanças no relevo do vulcão pouco antes de haver uma erupção. Mas como assim mudanças no relevo? Bom, veja bem, sabemos que uma erupção é um evento feroz e quando ele ocorre, por algumas vezes, é em um episódio explosivo.


Uma erupção ocorre quando o magma sob as rochas está em altíssimas pressões e, assim, precisar ser expelida pelo vulcão. A pressão com a qual o magma sobe é grande o suficiente para empurrar as paredes da abertura do vulcão fazendo com que ele infle - da mesma forma que a nossa bochecha infla quando fazemos bico para assoprar. Tente e verifique!


É com esse movimento de inflar que o vulcão faz que se utiliza a EDM. A EDM funciona, simplificadamente, da seguinte forma: posiciona-se um emissor de ondas eletromagnéticas na direção de um espelho colocado no vulcão. O emissor emite uma onda que é refletida no espelho e é recebida novamente no detector, que faz os cálculos do tempo que demoraria para a onda ir e voltar nesse percurso. Caso haja uma erupção a estrutura do vulcão muda ligeiramente (conforme ele infla, nada absurdo, mas grande o suficiente pra ser detectado pelo método da EDM) e o tempo de ida e volta da onda muda e é registrado num computador.

Figura 2[4]: Imagem da utilização de um aparelho de EDM no monitoramento de atividade vulcânica.


O grande problema com essa forma de monitoramento é que ela serve como um método emergencial, pois a detecção é feita quando o magma já está subindo e a erupção é iminente e, portanto, é usado para soar o sinal de evacuação do local. Mas então como podemos saber com mais antecedência sobre as erupções? O método seguinte consegue detectar os riscos de erupções mais cedo.


2. Câmara de Placas Resistivas: Detectar erupções com antecedência, ainda enquanto o magma ainda está derretendo a rocha dentro do vulcão, é um trabalho para a utilização das versáteis RPC. Vamos entender seu funcionamento.


As RPCs são detectores de partículas (figura 3[5]), que funcionam baseadas em impulsos elétricos causados pela coincidência na passagem de uma partícula carregada por duas placas de detecção.


Elas são usadas em muitos casos, um deles é na análise de raios cósmicos para detecção de múons. Com a detecção dessas partículas, é possível mapear seu fluxo, ou seja, quantas partículas passam por uma determinada área.

Figura 3: Esquema da detecção de um múon usando uma RPC de 1 gas gap.


É importante informar que a quantidade de partículas detectadas depende da densidade do meio que elas atravessam. Os raios cósmicos, citados anteriormente, são partículas carregadas vindas do espaço que atingem a Terra. Nesse processo, há decaimentos e um deles (o decaimento do Píon) produz múons, que são uma das partículas que chegam a nível do mar. Mas o que é um decaimento? Em poucas palavras: o decaimento é a forma que partículas instáveis usam para se tornar partículas estáveis, elas fazem isso se transformando em partículas diferentes. Por exemplo, em condições específicas um próton pode ficar instável e então decair se transformando em um nêutron, um pósitron e um neutrino (decaimento beta mais).

Figura 4[6]: representação do decaimento beta mais do próton.


Voltando aos múons: o seu tempo de vida é muito curto, mas como ele está a velocidades altíssimas, sofre efeitos relativísticos que os permitem chegar a nível do mar. A quantidade de múons detectada depende de quanta matéria ele interagiu no caminho. Mas como assim? Imagine que você precisa ir à padaria, mas no caminho você precisa cumprimentar todos os amigos que encontrar. Imagine também que se eles te convidarem para ir tomar um café e comer um pedaço de bolo, você não pode negar. Então quanto mais amigos você encontrar no caminho, maiores as chances de você interagir com eles e não chegar a padaria. Com os múons acontece, a grosso modo, de maneira semelhante: quanto mais matéria há no caminho deles, maiores as chances deles interagirem e não chegarem nos detectores.


Qual a forma de usarmos isso no monitoramento de erupções vulcânicas? É relativamente simples. A densidade da rocha é diferente quando ela está em estado sólido e quando está em estado líquido. Então, o fluxo de múons que atravessam essa rocha muda conforme ela derrete no interior de um vulcão. Então, são posicionados detectores RPCs de forma que eles captam partículas que atravessam o vulcão. Com a informação das mudanças relevantes de fluxo dos múons, é interpretado se há derretimento das rochas dentro do vulcão. Essa informação pode ser interpretada para um possível risco de erupção.


3. Espectroscopia: a espectroscopia é um ramo da física que estuda a interação entre radiação e matéria. Em seu repertório, há diversos físicos geniais, como Newton, Fraunhofer, Wollaston, Bunsen e outros. Mas para esse texto vamos focar numa descoberta feita por Fraunhofer. Como muitos sabem, Newton é famoso por dispersar a luz do sol usando um prisma, formando um arco-íris (figura 5[7]), mas infelizmente ele não observou a luz dispersada por um teodolito (é como um telescópio). Esse foi um trabalho feito por Fraunhofer em um de seus estudos para melhorar a qualidade da produção de seus vidros, mais de 100 anos depois de Newton.

Figura 5: dispersão da luz por um prisma.


Quando Fraunhofer olhou a luz dispersada pelo teodolito, notou que haviam listras escuras, como falhas no espectro das cores. Eles repetiu o experimento com outros prismas e viu que as mesmas listras permaneciam, deduziu então que deveria ser algo característico do Sol. As listras ficaram conhecidas como as listras escuras de Fraunhofer (figura 6[8]).

Figura 6: Listras escuras de Fraunhofer.


Mas o que isso tudo tem a ver com as erupções vulcânicas? Calma, estamos chegando lá! A explicação para essas listras escuras veio muito depois de Fraunhofer, com Kirchhoff e Bunsen. O que acontece é que quando a luz incide sobre um corpo, parte dela é refletida e parte dela é absorvida, essa absorção da luz causa as linhas escuras, que são diferentes para cada elemento químico. É utilizando essas linhas escuras que descobrimos a composição das atmosferas dos planetas do sistema solar, a composição de outras estrelas e muitas outras coisas. Você pode notar também que umas listras são mais fortes e outras são mais fracas, isso nos diz a concentração de cada elemento.


E aqui chegamos ao ponto que queríamos. Os vulcões ativos exalam gases constantemente, gases como vapor de água, gás carbônico, dióxido de enxofre, e muitos outros. Sabendo disso, podemos elaborar um pequeno esquema de como utilizar a espectroscopia nessas situações.

  • Coloca-se um dispositivo que faz leitura das linhas escuras apontado para a boca do vulcão;

  • A luz do sol passa por cima do vulcão e consequentemente através dos gases emitidos;

  • Os gases absorvem parte da luz que passa;

  • A luz ao chegar no dispositivo passa por um prisma e é dispersada (dividida em suas componentes);

  • A luz dispersada mostra as linhas de absorção;

  • Um computador interpreta as linhas buscando medir a concentração dos gases que estão sendo emitidos pelo vulcão.

Quando há mudança na atividade vulcânica, a concentração dos gases também muda, aumentando conforme a atividade vulcânica se intensifica, dessa forma, alertando para o risco de uma possível erupção.


Embora esses três métodos sejam relativamente eficientes, eles não garantem exatidão quanto as erupções, que ainda são impossíveis de serem detectadas com grande antecedência - assim como os terremotos -. Mas são, de fato, uma grande ajuda. A ciência continua a investigar e procurar meios de detectar as erupções de forma mais eficaz e ainda há um longo caminho pela frente.


Referências bibliográficas


[1] ZAVALA, Enrique. Os segredos do maior sacrifício de crianças feito pelos incas para 'acalmar' um vulcão. BBC News Brasil. Acesso em julho de 2020.


[2] LIMA, Mariane. Monte Fuji: O vulcão divino. Revista Planeta. Acesso em julho de 2020.


[3] Instituto de investigação em vulcanologia e avaliação de riscos. Mount Agung - embora permaneça a ameaça de erupção vulcânica, milhares de habitantes retornam às suas habitações. Acesso em julho 2020.


[4] British geological survey. Soufrière Hills Volcano, Montserrat | Volcanoes | Discovering Geology. Acesso em julho de 2020.


[5] ARNOLD, B. James. An affordable particle detector for education. Acesso em julho de 2020.


[6] OLIVE, Yuri. A descoberta do século: o bóson de higgs (parte 2 – A Vingança). Acesso em julho de 2020.


[7] Universidade Federal de Juiz de Fora. Projeto Física e Cidadania. Acesso em julho de 2020.


[8] ESPECTRO DE FRAUNHOFER. In: WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre. Flórida: Wikimedia Foundation, 2019. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/w/index.phptitle=Espectro_de_Fraunhofer&oldid=54717420>. Acesso em julho de 2020.