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Interferência da atmosfera terrestre
em observações astronômicas
www.pbase.com/psinclai/la_silla Prof. Jorge Meléndez
Bibliography: várias fontes (Observational Astrophysics [Lena]; Meteorology Today [Ahrens])
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A grande maioria das observações são sitiadas no solo
www.nasa.gov
Precisamos conhecer a atmosfera
terrestre para saber as
possibilidades e limitações
da observação do solo
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A atmosfera
é uma fina camada de gases que rodeia a Terra e que é retida pela sua gravidade
terrestre
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© Meteorology Today (Ahrens)
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Estrutura da atmosfera terrestre b
urr
o.c
wru
.ed
u/A
cad
emic
s/A
str2
01
/Atm
osp
her
e/at
mo
sph
ere1
.htm
l
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Perfis de temperatura
TROPOSFERA
MESOSFERA
ESTRATOSFERA
TERMOSFERA
Aquecida pela superficie e conveção
Aquecida por absorção de luz UV pelo ozônio
Luz solar UV e raios X aquecem e ionizam gases
Concentração de ozônio diminui
TEMPERATURA(0C)
Alt
itu
de (
Km
)
X-ray UV visible
570 HST
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Pressão: decresce exp. com a altura z
H: escala de altura (=RTm/M0g)
Composição química cte até 90 km
P(z) =
P0exp(-z/H)
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H=RTm/M0g
(escala de altura)
R: cte gases (8.23 J K-1 mol-1)
Tm: temp. media (00 C)
M0: massa mol. Média (0.029kg)
g: acel. grav.
H = 8km
P(z) = P0exp(-z/H)
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Quais são os maiores constituientes da atmosfera?
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Constituintes da atmosfera
N e O são os principais constituintes e sua proporção relativa é constante entre 0-90 km Nitrogênio (N2 : 78 %)
Oxigênio (O2 : 21 %)
Argônio (0.9 %) (H2O, O3, …) Vapor de agua é varíavel, ~1%
(CO2: 0.04 %)
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Constituintes da atmosfera Os constituintes menores (e variaveis) são importantes fontes de opacidade na atmosfera
(CO2 , H2O, O3,…) w
ww
.co
smic
dia
ry.o
rg
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Vapor de água: uma das principais fontes de opacidade na atmosfera
© Meteorology Today (Ahrens)
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Medida do conteúdo de Vapor d’água O conteúdo fracional (fractional content), razão de mistura (mixing ratio), ou humidade específica (specific humidity) é:
•0 < r ≤ rs(T) (saturação)
muito sensível à •Temperatura •z (altitude) •Latitude •tempo
[r] = g/Kg
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latitude
Mixing ratio em função da latitude
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Concentração de vapor de H2O em função da altitude
© Lena
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Umidade relativa (Relative humidity: RH)
RH = conteúdo de vapor de H2O
máximo conteúdo de vapor de H2O para saturação a uma determinada T
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RH = conteúdo de vapor de H2O
máx conteúdo de vapor de H2O para saturação
© Meteorology Today (Ahrens)
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Mudança da RH ao longo do dia ©
Me
teo
rolo
gy T
od
ay (
Ah
ren
s)
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Mudança da RH no dia 5/mar/2014 no OPD
18h: 70% 20h: 80% 22h: 90% 0h: 100%
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Mudança da temperatura e umidade no 9/3/2014 te
mp
era
tura
u
mid
ade
hora
hora
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Mudança da temperatura e umidade no 9/3/2014 te
mp
era
tura
u
mid
ade
hora
hora
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Cobertura de nuvens no 9-10/3/2014
hora
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Comparação do conteúdo de vapor de H2O em dois diferentes
observatórios
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Keck (4.2km) spectrum of HD140283
Stellar NaD
Interstellar NaD
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Keck (4.2km) vs. VLT (2.7km)
ISM NaD
Stellar NaD
Water
vapor
clearly
present
on
Paranal
(VLT)
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Keck (4.2km) spectrum of HD140283
Stellar NaD
Interstellar NaD
much
less H2O
on Mauna
Kea
(Hawaii)
than on
Paranal
(Chile)
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Ozônio (O3) A estrutura vertical do O3 varia muito (latitude,
estação do ano), mas tem um máximo ~20km
Ozônio
estratosférico
Ozônio troposférico
Andrew Ryzhkov
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Ozônio (O3) O hemisferio norte tem uma maior
concentração de ozônio que o hemisferio Sul
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Ozônio (O3) A quantidade total de O3 tem um ciclo annual
Variação annual do ozônio a cada 10 graus de latitude no hem. Norte
Mar Abr Out Nov
Tipicamente
0.24-0.34 cm
em CNTP
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Ozônio: principal proteção contra a radiação UV solar
100%
90%
10%
100-280nm
280-320nm
320-400nm UV-C
UV-B
UV-A
0.2 .3 .4 μm
C B
A
Altu
ra (
km
)
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Destruição do Ozônio
• Constituintes menores (Cl, NO) destroem o O3
• Os cloroflour-carbonetos, CFCs, podem alcançar a estratosfera e destroir ozônio
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Dióxido de carbono
• Tem distribuição similar ao O2 e N2
• Razão de mistura não depende da altura
• Importante fonte de absorção no infravermelho
CO2
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CO2 e aquecimento global
• CO2 é a segunda fonte (após H2O) do aquecimento global
Luz visível atravessa a atmos e esquenta a superficie. Os gases (CO2, H2O & CH4) na atmos absorvem a luz IR refletida, re-emitindo-a em direções aleatorias.
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CO2 e aquecimento global
CO2 nos últimos 1000 anos
© Meteorology Today (Ahrens)
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CO2 e aquecimento global
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CO2 e aquecimento global
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Impacto na Astronomia Aumento de
CO2: maiores
bandas de
absorção na
atmosfera
bandas de absorção atmosférica
(bandas teluricas)
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Impacto na Astronomia?
Dec-Feb Jun-Aug
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Íons •Acima de 60km, radiação solar UV ioniza a atmosfera
•A Ionização varia com altitude, iluminação solar, ativ. solar
•A altas latitudes, “cascatas” de elétrons entram nos polos
magneticos, causam as auroras
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Íons : Auroras •Acima de 60km, radiação solar UV ioniza a atmosfera
•A Ionização varia com altitude, iluminação solar, ativ. solar
•A altas latitudes, “cascatas” de elétrons entram nos polos
magneticos, causam as auroras
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Íons •Reações típicas:
• Variação da dens. eletrônica:
Camada z(km) Ne[cm-3]
D 60 103
E 100 105
F 150-300 2x106
> 2000 104
•D quase desaparece à noite
•Interfere nas ondas de rádio
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Absorção da Radiação A absorção da atmosfera pode ser total ou parcial
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Transições Atômicas e Moleculares
ATÔMICAS: O, N
MOLECULARES:
• Eletrônicas
CH4, CO, H2O, O2, O3, …
• Rotacionais:
H2O, CO2, O3, …
• Rotationais-Vibracionais:
CO2, NO, CO … Eel,v”,J” = [Te + Gv + Fv(J)] hc
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A física atóm. e mol. fornece coef. κ ou σ para c/especie
Bandas de absorção atmosféricas bandas teluricas
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No otico e infravermelho proximo, O3, H2O e CO2 causam fortes bandas de absorção na atmosfera terrestre
Espectro solar
e bandas teluricas
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Ground-based observatories
UV long. (<20nm)
UV próximo
Contínuo N2
Bandas elet O2 , O3, cont O2
IV e sub-mm
Bandas rot. e v-r
H2O e CO2
mm
Bandas rot. H2O e O2
10-20m
cutoff
Plasma ionosferico
JANELA
OPTICA-IV
JANELA
RADIO
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ALMA: 66 antennas working together at mm and submm
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Emissão Atmosférica
• A atmosfera emite por fluorescência
(airglow) e termicamente
FLUORESCÊNCIA: recombinação dos elétrons e íons criados nas reações diurnas de dissociação
• Contínuo: 1-3 Rayleigh Å-1
• Linhas: 500 R 1 Rayleigh (R) = 106 fótons cm-2 s-1 str-1
= 6.8x10-17 Wm-2um-1arcsec-2(em =550nm) = 22 mag arcsec-2
• Principais emissores: OI, NaI, O2, OH, H
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Espectro do céu à noite (no ótico) Mauna Kea (Havaí)
www.cfht.hawaii.edu
O2
Hg
[NI]
5199
[OI] 5577
[OI]6300,6363
OH
OH
OH OH
HI
NaI 5890;6
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Espectro do céu à noite (no ótico e infravermelho)
Observatório de La Palma (Canary Islands)
OH é muito forte
no vermelho-
infravermelho
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Fundo de céu para observações no solo e no espaço próximo à Terra
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Co
nve
cçã
o
Emissão Térmica (infravermelho)
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Emissão Térmica • Atmosfera pode ser considerada um gás em ETL
até 40-60km
• Para τ << 1 (profundidade ótica fina), a intensidade
de radiação a altitude z e distância zenital θ é:
onde Bλ é função de Planck à temperatura média T
da atmosfera.
τ << 1 e Bλ não é desprezível:
- infravermelho próximo: 1 - 20 μm
- milimétrico: 0.5 – 2 mm
¯
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Emissão Térmica Usando temperatura média 250K:
Fontes
astronômicas
podem ser várias
ordens de
magnitude
mais fracas que a
emissão térmica
do céu (problema
parecido com
a emissão
fluorescente do
céu).
Léna, Lebrun & Mignard 1998
Observational astrophysics, 2nd Ed
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Fundo do céu no infravermelho: emissão térmica vs. OH
Brilho de fundo do céu no infravermelho,
em altitude de Mauna Kea (4200m).
Emissão
fluorescente
(OH)
Emissão
térmica
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Difusão da Radiação: espalhamento Rayleigh e Mie
• Causado por moléculas e aerosóis em suspensão
• A influência das particulas do ar depende da altitude, mas os aerosóis dependem de ventos, clima, estação, ativ. vulcânica, poluição industrial…
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• Para partículas menores ao comprimento de onda λ da luz
• onde n: índice de refração;
• N: densidade moléculas
Espalhamento Rayleigh
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Por isso o céu é azul
Hawaii, after observing run ...
A intensidade do espalhamento Rayleigh depende do ângulo θ de incidência
Em z=2km, a 900 do Sol, λ=7000A, brilho do céu é 10-7 daquele do disco solar
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Espalhamento Mie • Espalhamento por partículas maiores ao
comprimento de onda λ da luz
• Não depende muito do comprimento de onda
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Espalhamento Mie
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Contribuição ao brilho do céu (no dia) na região do
ótico e infravermelho
Fig. 2.11 (Lena, Observational
Astrophysics). Molecular scattering is
given for the altitude z = 2000m, at 900
from the Sun. The wavelength
dependence is λ-4. Thermal emission
is also shown, assuming uniform
mean emissivity of 0.1.
The dashed line shows the possible
additional contribution due to aerosols,
varying as λ-1. For comparison, (•)
marks the sky brightness measured at
0.5 arcmin from the Sun’s limb at Kitt
Peak (Arizona)
Possível
observar
ao dia ou
à noite
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Outros fatores atmosféricos: Turbulência atmosférica
Vincent van Gogh
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Geração de turbulência na atmosfera terrestre
Turbulência atmosférica causada pelo relevo
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A turbulência da atmosfera terrestre afeta a qualidade de
imagem
Efeito da turbulência atmosferica
Imagem
corregida
usando ótica
adaptativa
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Resolução angular
É o menor ângulo que
pode ser discernido
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Resolução angular de um telescopio de
diâmetro d no comprimento de onda λ
[rad] = 1,22 λ /d
Um telescópio com d = 14 cm alcança no ótico uma resolução angular de 1”, da mesma ordem
que o limite imposto pelo seeing (~ 1”)
For V = 540nm: [”] = 0,136 /d[m] For K = 2,2μm:
[”] = 0,55 /d[m]
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1” (seeing)
14
cm
55
cm
![Page 69: atmosfera terrestre em observações astronômicasjorge/aga414/2014_05_atmosfera_terrestre.pdf · atmosfera terrestre Espectro solar e bandas teluricas. Ground-based observatories](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022050416/5f8c92ed7c8f6f4ac54f0b1b/html5/thumbnails/69.jpg)
Effects of atmospheric turbulence
© Roy & Clarke
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Ótica adaptativa
The binary star IW Tau is revealed through adaptive optics. The stars have a 0.3 arc second separation. The images were taken by Chas Beichman and Angelle Tanner of JPL.
Without adaptive optics (Palomar 200 inch telescope)
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Bright Star (Arcturus)
http://www.ucolick.org/~max/max-web/History_AO_Max.htm
Escala de tempo da turbulência? Coherence length is ~ 10cm at 0,5m Turbulent layer wind speed is ~ 10 m/s Portanto escala de tempo ~ 0,01 s (= 10ms). Escala de tempo da turbulência no ótico ~ 1 - 10ms
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Seeing vs. Diffraction (angular resolution) limit
© Roy & Clarke
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Qualidade da correção: Strehl ratio
© Roy & Clarke
Strehl ratio = Icorrigida/Idifração
IC
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Ótica adaptativa Centro da nossa Galáxia
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Stars orbiting the Galactic center http
://astro.u
chicago
.edu
/cosm
us/p
roje
cts/UC
LA_
GC
G/
Andrea Ghez Orbits around the Galactic center imply black hole of
4 million solar masses
Professor Ghez has actively disseminated her work to a wide variety of audiences through more than 100 refereed papers and 200 invited talks, as well features in textbooks, documentaries, and science exhibits. She has received numerous honors and awards including the Crafoord Prize, a MacArthur Fellowship, election to the National Academy of Sciences and the American Academy of Arts & Sciences, the Aaronson Award from the University of Arizona, the Sackler Prize from Tel Aviv University, the American Physical Society's Maria Goeppert-Mayer Award, the American Astronomical Society's Newton Lacy Pierce Prize, a Sloan Fellowship, a Packard Fellowship, and several teaching awards. Her most recent service work includes membership on the National Research Council's Board on Physics & Astronomy, the Thirty-Meter-Telescope's Science Advisory Committee, the Keck Observatory Science Steering Committee, and the Research Strategies Working Group of the UC Commission on the Future.
TED TALK: http://www.ted.com/talks/andrea_ghez_the_hunt_for_a_supermassive_black_hole.html
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Imagem de sistema binário (sem correção)
Com ótica adaptativa The binary star IW Tau is revealed through adaptive optics. The stars have a 0.3 arc second separation. The images were taken by Chas Beichman and Angelle Tanner of JPL. Observations at Palomar P200
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Segmented mirror for Adaptive Optics
© To Measure the Sky, Chromey
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Shack-Hartmann sensor for AO
© To Measure the Sky, Chromey
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WFS stars must be nearby
© Kitchin
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WFS stars must be bright
© Lena
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No stars in your field? Create your own star!
http://subarutelescope.org/Pressrelease/2005/07/
06/
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VLT laser
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Spotters no observatório
Gemini
Two aircraft spotters make sure no aircrafts pass close to the laser beam.
http://www.paulanthonywilson.com/blog/why-do-some-telescopes-use-laser-beams/
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Outros fatores atmosféricos: Camada de inversão
• Fator na escolha de um sítio astronómico de solo
• Camada de inversão, ~ 2km,
mas pode ocorrer a menores z
São Paulo, 6af, 23 maio 2008, 08h30m www.estadao.com.br
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Camada de inversão
• Camada de inversão sobre o oceano pacífico em volta da ilha de Havai
www.gemini.edu
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Maior altura menos nuvens
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Estudantes brasileiros @ La Silla, 20/9/2013
Condições meteorológicas em La Silla (Chile)
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1/10/2013
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Limitações no apontamento
Fechar
Direção
do vento
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La Silla, 22/9/2013
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Hawaii
Hawaii, 18/8/2013
Mauna Kea mountain
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Mauna Kea Weather conditions
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Escolha de um sítio astronômico • Ausência de nuvens (ligada à camada de inversão)
• Qualidade fotométrica (estab. transparência atmos.)
• Transparência no IV e mm (baixo vapor H2O atmosférico)
• Qualidade da imagem (variações na temperatura e índice de refração do ar)
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Escolha de um sítio astronômico
Altitude
precipitableH2O
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Se o solo não for bom, podemos ir ao espaço