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Desertos 'respiram' vapor de água, mostra estudo
As descobertas mostram pela primeira vez como o vapor de água penetra em pós e grãos e pode ter amplas aplicações muito além do deserto – em pesquisa farmacêutica , agricultura e processamento de alimentos, bem como exploração planetária.
Por David Nutt - 30/03/2022


Jin Xu, Ph.D. '14, examina dunas de areia. Crédito: Universidade de Cornell

Os desertos podem parecer sem vida e inertes, mas estão muito vivos. As dunas de areia, em particular, crescem e se movem – e de acordo com um projeto de pesquisa de décadas, elas também respiram ar úmido.

As descobertas mostram pela primeira vez como o vapor de água penetra em pós e grãos e pode ter amplas aplicações muito além do deserto – em pesquisa farmacêutica , agricultura e processamento de alimentos, bem como exploração planetária.

O artigo da equipe, "Transporte de Vapor de Água através de uma Superfície de Areia Árida - Acoplamento Térmico Não-Linear, Advecção de Poros Conduzida pelo Vento, Ondas de Subsuperfície e Troca com a Camada de Limite Atmosférica", publicado em 21 de março no Journal of Geophysical Research: Earth Surface .

O projeto, liderado pelo autor principal Michel Louge, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Faculdade de Engenharia, durou não apenas uma grande quantidade de tempo, mas também uma variedade de terrenos. Começou há quase 40 anos, quando Louge estudava o comportamento de fluidos, gases e partículas sólidas.

Querendo medir a matéria com maior sensibilidade, ele e seus alunos desenvolveram uma nova forma de instrumentação chamada sondas de capacitância, que usam vários sensores para registrar tudo, desde concentração sólida até velocidade e teor de água , tudo com resolução espacial sem precedentes.

Quando um colega da Universidade de Utah sugeriu que a tecnologia poderia ser útil para imaginar as camadas de neve nas montanhas e avaliar a probabilidade de avalanches, Louge foi até sua garagem, pegou algumas sondas e as testou em uma tempestade de neve. Logo ele estabeleceu uma parceria com uma empresa, Capacitec Inc, para combinar suas respectivas habilidades em geometria e eletrônica. As sondas resultantes também se mostraram úteis na pesquisa de hidrologia.

No início dos anos 2000, Louge começou a colaborar com Ahmed Ould el-Moctar da Universidade de Nantes, França, para usar as sondas para estudar o teor de umidade em dunas de areia para entender melhor o processo pelo qual as terras agrícolas se transformam em deserto - um interesse que tem só se tornam mais urgentes com o aumento da mudança climática global.
 
"O futuro da Terra, se continuarmos assim, é um deserto", disse Louge.

Enquanto outras sondas podem medir grandes volumes de matéria, as sondas de Louge são profundas e pequenas, coletando dados em escala milimétrica para identificar a quantidade exata de umidade e a densidade da areia. Para funcionar em um novo ambiente, porém, as sondas precisavam ser modificadas. E assim começou um processo de tentativa e erro de uma década, enquanto Louge fazia viagens periódicas a desertos no Catar e na Mauritânia experimentando diferentes versões da sonda.

Michel Louge, professor de engenharia mecânica e aeroespacial, retratado aqui no Catar
em 2012, usa sondas de capacitância para estudar o teor de umidade em dunas de
areia desde o início dos anos 2000. Crédito: Universidade de Cornell

A sonda acabou revelando o quão porosa é a areia, com uma pequena quantidade de ar passando por ela. Pesquisas anteriores haviam sugerido que esse tipo de infiltração existia em dunas de areia, mas ninguém havia conseguido provar isso até agora.

"O vento flui sobre a duna e, como resultado, cria desequilíbrios na pressão local, que literalmente força o ar a entrar e sair da areia. Então a areia está respirando, como um organismo respira", disse Louge.

Essa "respiração" é o que permite que os micróbios persistam nas profundezas das dunas de areia hiperáridas , apesar da alta temperatura. Durante grande parte da última década, Louge tem colaborado com Anthony Hay, professor associado de microbiologia na Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida, para estudar como os micróbios podem ajudar a estabilizar as dunas e impedir que elas invadam estradas e infraestrutura.

Louge e sua equipe também determinaram que as superfícies do deserto trocam menos umidade com a atmosfera do que o esperado e que a evaporação da água de grãos de areia individuais se comporta como uma reação química lenta.

A maior parte de seus dados foi coletada em 2011, mas Louge e seus colaboradores ainda levaram mais uma década para entender algumas das descobertas, como identificar distúrbios no nível da superfície que forçam ondas evanescentes ou não lineares de umidade a se propagarem para baixo. pelas dunas muito rapidamente.

"Poderíamos ter publicado os dados 10 anos atrás para relatar a precisão de nossa abordagem", disse Louge. "Mas não foi satisfatório até entendermos o que estava acontecendo. Ninguém realmente tinha feito algo assim antes. Esta é a primeira vez que níveis tão baixos de umidade podem ser medidos."

Os pesquisadores antecipam que sua sonda terá várias aplicações - desde estudar a maneira como os solos absorvem ou drenam água na agricultura, calibrar observações de satélite sobre desertos e explorar ambientes extraterrestres que podem conter vestígios de água. Essa não seria a primeira vez que a pesquisa de Louge chegaria ao espaço.

Mas talvez a aplicação mais imediata seja a detecção de contaminação por umidade em produtos farmacêuticos. Desde 2018, a Louge colabora com a Merck para usar as sondas na fabricação contínua, que é vista como um sistema mais rápido, mais eficiente e menos caro do que a fabricação em lote.

"Se você quer fazer uma fabricação contínua, você precisa ter sondas que lhe permitam, em função do tempo, e em todos os lugares que são importantes, verificar se você tem o comportamento correto do seu processo", disse Louge.

 

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