Quando engenheiros alemães e suíços construíram uma ponte sobre o Reno em 2003, algo saiu errado: os lados não se encontraram. O alemão estava 54 centímetros acima do suíço.
O desalinhamento ocorreu porque os engenheiros alemães haviam medido a elevação com um nível histórico do Mar do Norte como ponto zero, enquanto os suíços haviam usado o Mar Mediterrâneo, que estava 27 centímetros mais baixo. Embora falemos coloquialmente sobre elevações em relação ao “nível do mar”, os mares da Terra na verdade não são nivelados.
“O nível do mar varia de local para local”, diz Laura Sanchez, geodesista da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha (Geodesistas estudam a forma, orientação e o campo gravitacional do nosso planeta).
Mesmo as duas equipes sabendo da diferença de 27 centímetros, elas se confundiram sobre qual lado estava mais alto. No final, a Alemanha abaixou seu lado para completar a ponte.
Para evitar erros de construção tão custosos, em 2015, cientistas da Associação Internacional de Geodésia votaram para adotar o Referencial Internacional de Altura, ou IHRF, um padrão mundial para elevação. É o equivalente tridimensional para latitude e longitude, diz Sanchez, que ajuda a coordenar o esforço de padronização.
Agora, uma década após sua adoção, os geodestas (cientistas que estudam a forma e o campo gravitacional da Terra) estão buscando atualizar o padrão, utilizando o relógio mais preciso já lançado no espaço.
Esse relógio, chamado Conjunto de Relógios Atômicos no Espaço, ou ACES, foi lançado para a órbita a partir da Flórida no mês passado, com destino à Estação Espacial Internacional. O ACES, que foi construído pela Agência Espacial Europeia, consiste em dois relógios atômicos conectados, um contendo átomos de césio e o outro contendo hidrogênio, combinados para produzir um único conjunto de batidas com precisão superior a qualquer um dos relógios isolados.
Relógios de pêndulo são precisos apenas até cerca de um segundo por dia, pois a taxa com que um pêndulo oscila pode variar com a umidade, temperatura e o peso de poeira extra. Relógios atômicos nos atuais satélites de GPS perdem ou ganham um segundo em média a cada 3.000 anos. O ACES, por outro lado, “não perderá nem ganhará um segundo em 300 milhões de anos”, diz Luigi Cacciapuoti, físico da ESA que ajudou a construir e lançar o dispositivo (em 2022, a China instalou um relógio potencialmente mais estável em sua estação espacial, mas o governo chinês não compartilhou publicamente o desempenho do relógio após o lançamento, segundo Cacciapuoti).
Do espaço, o ACES se conectará a alguns dos relógios mais precisos da Terra para criar uma rede de relógios sincronizados, o que apoiará seu principal objetivo: realizar testes de física fundamentais.
Mas é de interesse especialmente para os geodestas porque pode ser usado para realizar medições gravitacionais que ajudarão a estabelecer um ponto de referência mais preciso para medir a elevação em todo o mundo.
A precisão sobre esse “ponto zero” (basicamente onde você coloca a extremidade da fita métrica para medir a elevação) é importante para a colaboração internacional. Isso facilita, por exemplo, o monitoramento e a comparação das mudanças no nível do mar ao redor do mundo. É especialmente útil para a construção de infraestrutura envolvendo água corrente, como barragens e canais.
Em 2020, o padrão internacional de altura até resolveu uma disputa de longa data entre China e Nepal sobre a altura do Monte Everest. Por anos, a China afirmou que a montanha tinha 8.844,43 metros; o Nepal a mediu em 8.848 metros. Usando o IHRF, os dois países finalmente concordaram que a montanha tem 8.848,86 metros.
Para criar um ponto zero padrão, os geodésistas criam um modelo da Terra conhecido como geoide. Cada ponto na superfície desse modelo irregular, com formato de batata, experimenta a mesma gravidade, o que significa que, se você cavasse um canal na altura do geoide, a água dentro do canal estaria nivelada e não fluiria. A distância estabelece um sistema global para a altitude.
No entanto, o modelo atual carece de precisão, especialmente na África e na América do Sul, diz Sanchez. O geoide atual foi construído usando instrumentos que medem diretamente a gravidade da Terra. Esses instrumentos foram carregados por satélites, que se destacam por obter uma visão global, porém de baixa resolução, e também foram usados para obter detalhes mais refinados por meio de caros levantamentos terrestres e aéreos. No entanto, os geodésistas não tiveram financiamento suficiente para realizar um levantamento extenso na África e na América do Sul, especialmente em terrenos difíceis, como a Amazônia e o Deserto do Saara.
Para entender a discrepância na precisão, imagine uma ponte que se estende da costa do Mediterrâneo até Cape Town, na África do Sul. Se fosse construída usando o geoide atual, as duas extremidades da ponte estariam desalinhadas em dezenas de centímetros. Em comparação, você estaria no máximo a cinco centímetros de erro se estivesse construindo uma ponte que atravessasse a América do Norte.
Para melhorar a precisão do geoide, os geodésistas querem criar uma rede mundial de relógios, sincronizados a partir do espaço. A ideia funciona de acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, que afirma que quanto mais forte o campo gravitacional, mais devagar o tempo passa.
O filme de ficção científica de 2014 Interestelar ilustra uma versão extrema dessa chamada dilatação do tempo: dois astronautas passam algumas horas em uma gravidade extrema perto de um buraco negro e retornam a um companheiro de tripulação que envelheceu mais de duas décadas. Da mesma forma, a gravidade da Terra fica mais fraca à medida que você sobe em altitude.
Seus pés, por exemplo, experimentam uma gravidade um pouco mais forte do que sua cabeça quando você está de pé. Supondo que você viva até os 80 anos, ao longo de uma vida, sua cabeça envelhecerá dezenas de bilionésimos de segundo a mais do que seus pés.
Uma rede de relógios permitiria que os geodésistas comparassem as batidas dos relógios ao redor do mundo. Eles poderiam então usar as variações no tempo para mapear o campo gravitacional da Terra com muito mais precisão e, consequentemente, criar um geoide mais preciso. Os relógios mais precisos hoje são o suficiente para medir variações no tempo que se correlacionam com diferenças de altura na ordem de centímetros.
“Queremos alcançar um nível de precisão de um centímetro ou abaixo disso”, diz Jürgen Müller, geodesta da Universidade Leibniz de Hannover, na Alemanha. Especificamente, os geodestas usariam as medições dos relógios para validar seu modelo de geoide, o que atualmente fazem com técnicas de levantamento terrestre e aéreo. Eles acreditam que uma rede de relógios deveria ser consideravelmente mais barata.
O ACES é apenas um primeiro passo. Ele mede altitudes em diversos pontos do planeta com até 10 cm de precisão, diz Cacciapuoti. Mas o objetivo do ACES é prototipar a rede de relógios. Ele demonstrará a tecnologia óptica e de micro-ondas necessária para usar um relógio no espaço para conectar alguns dos relógios mais avançados baseados em terra. No próximo ano, Müller planeja usar o ACES para conectar-se a relógios em terra, começando com três na Alemanha. A equipe de Müller poderá então fazer medições mais precisas na localização desses relógios.
Esses primeiros estudos abrirão o caminho para trabalhos que conectem relógios ainda mais precisos que o ACES à rede, levando, em última instância, a uma melhoria do geoide. Os melhores relógios de hoje são cerca de 50 vezes mais precisos que o ACES. “O mais empolgante é que os relógios estão ficando ainda mais estáveis”, diz Michael Bevis, geodesta da Universidade Estadual de Ohio, que não participou do projeto.
Um geoide mais preciso permitiria que engenheiros, por exemplo, construíssem um canal com um controle melhor de sua profundidade e fluxo, diz ele. No entanto, ele aponta que, para que os geodestas aproveitem a precisão dos relógios, também será necessário melhorar seus modelos matemáticos do campo gravitacional da Terra.
Até mesmo o início da construção dessa rede de relógios exigiu décadas de trabalho dedicado por cientistas e engenheiros. Levou à ESA três décadas para criar um relógio tão pequeno quanto o ACES, mas adequado para o espaço, diz Cacciapuoti. Isso significou miniaturizar um relógio do tamanho de um laboratório para o tamanho de uma geladeira pequena. “Foi um enorme esforço de engenharia”, diz Cacciapuoti, que trabalha no projeto desde que começou na ESA, há 20 anos.
Os geodestas esperam que ainda precisem de pelo menos mais uma década para desenvolver a rede de relógios e lançar mais relógios no espaço. Uma possibilidade seria colocar os relógios nos satélites GPS. O cronograma depende do sucesso da missão ACES e da disposição das agências governamentais para investir, diz Sanchez. Mas, independentemente dos detalhes, mapear o mundo leva tempo.
Sophia Chen
