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Origem do Universo e da Terra Universidade Federal do Vale do São Francisco Campus Serra da Capivara Colegiado de Ciências da Natureza

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Origem do Universo e da Terra

Universidade Federal do Vale do São FranciscoCampus Serra da Capivara

Colegiado de Ciências da Natureza

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Como se originaram o Universo e a Terra?

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O homem e o Universo: breve histórico

• O homem sempre buscou entender a origem detudo;

• Registro histórico das civilizações mostratentativas de explicação da origem de tudo -cosmogonia;

• Baseia-se em mitos narrativos;

• Mito vem do grego “mythos” que significa estóriaou palavra final (qualquer um que se atrevesse acontestar o mito era acusado de cometer heresia);

• As forças ocultas da natureza eram guiadas porentes ocultos ou criadores;

Cosmogonia Maia – Vários deuses criaram o mundo

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• Em todo o mundo, cada cultura desenvolveu seuspróprios mitos sobre a origem do Universo;

• Cada mito reflete o ambiente e sociedade onde seoriginou (enorme diversidade);

• Ao encararem a complexidade da criação, essasculturas concluíram que a transição de umarealidade em que nada existia para a incríveldiversidade do mundo só poderia ter sido feitapor um ser ou seres sobrenaturais;

• A maioria dos mitos tinham algo em comum:deuses criaram o mundo num determinadoinstante do passado;

Mito chinês (600 a.C.) diz que oCriador Gigante, Phan Ku, saiu de umovo cósmico quebrando-o em duaspartes formando o céu e a Terra,separando os princípioscontraditórios (Ying-Yang), criando oSol, a Lua e as estrelas no céu,morrendo logo em seguida

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Cosmogonia grega: a busca por explicações naturais

• Cosmogonia Grega mítico-religiosa:

• Archilochus em 648 a.C. (visão mítica):

“Zeus, pai dos olimpianos, tornou em noite o meio-dia,ocultando a resplandecente luz do Sol, e (...) o medoacometeu a humanidade.”

• Influência religiosa: Correntes cosmogônicasdivergentes

“Do nada, nada se tira”

• Corrente judaico-cristã: rejeita a afirmação acima – universocriado do nada por um Deus;

Archilochus

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• Corrente neo-platonista (século III): Deus, usando a matéria primordial, jáexistente, criou o universo dando-lhe forma e função – ideia de eternidadeda matéria;

• Cosmogonia grega naturalista:

• Anaximandro de Mileto (Século III a.C.) afirmou que a substância primordial(Ápeiron) sofrendo um processo dele próprio, gera a partir dele toda amatéria do universo bem como sua organização.

“tudo provém do Ápeiron e tudo retorna ao Ápeiron”

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• Visões simplistas, mas que deram origem a perguntas cruciais que nãoestavam relacionadas com os mitos;

• As respostas foram o de menos, o maior fato foi a ousadia das perguntas;

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• Os filósofos “naturalistas” não rejeitavam a ideia dedeus, simplesmente recusavam a interferênciadivina como responsável pelos fenômenosnaturais;

• Ex: Xenófanes era contra a concepçãoantropomórfica que se fazia de Deus;

• Estes filósofos foram os primeiros cosmólogos, namedida em que estavam interessados no estudo douniverso e suas origens de maneira analítica;

• Cosmologia, do grego kosmeo que quer dizer“ordenar” ou “organizar”; O cosmo apresentavapadrões que os gregos desejam entender;

Xenófanes de Colofon (570-528 a.C.)

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• Pitágoras de Samos (540 a.C.) ajudou a consolidar os fundamentos desseracionalismo demonstrando como os números e equações poderiam ser usadospara explicar a harmonia da natureza;

• Pitágoras explicou a harmonia musical através da harmonia dos números com aproporção das cordas de um monocórdio. Demonstrou que ao partir ou tocar acorda em 1/2 do seu comprimento, esta produzia o som da mesma nota oitavaacima; Quando ¾, produzia a quarta nota;

• Quando as proporções não eram respeitadas (aleatórias = 15:7), as notas geravamsons desarmônicos;

Tudo é número! O movimento da Lua e do Solgeram notas musicais.

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• No final da Idade Antiga e Idade Média, a influência do cristianismo, atravésdo livro de gênesis, explicava a origem do Universo e da Terra:

“No princípio Deus criou os céus e a Terra. ATerra, porém, estava informe e vazia; as trevascobriam o abismo e o Espírito de Deus pairavasobre as águas. Deus disse: ‘Faça-se a luz’. E aluz foi feita. Deus viu que a luz era boa, eseparou a luz das trevas. Deus chamou à luzDIA, e às trevas NOITE. Houve uma tarde e umamanhã: foi o primeiro dia” Michelangelo – Criação de Adão

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• Modelos geocêntricos: a Terra no centro do universo (desde os gregos até o século XIII);

• Modelo que se baseia na esfericidade da Terra; Todo o universo sofria uma força deatração para um único centro que era coincidente com o centro da Terra; Tudo girava noentorno da Terra;

• Aristarco de Samos, astrônomo grego (320 – 250 a.C.): propõe o heliocentrismo baseadonas estimativas dos tamanhos do Sol e da Terra; Não foi aceito por não explicar como ascoisas ficaram “presas” a Terra;

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• Heliocentrismo: Sol é o centro do universo e a Terra gira em torno dele;Nicolau Copérnico (1510 - anonimamente, 1543 - publicamente);

• Commentariolus (“Pequeno Comentário”), nunca publicado, escrito à mão.Circulou por volta de 1514 e propunha alguns axiomas:

http://www.astro.umontreal.ca/~paulchar/grps/site/images/copernicus.html

1. Corpos celestes não partilham centro comum;

2. O centro da Terra não é o centro do universo;

3. O centro do universo fica perto do Sol;

4. A distância da Terra ao Sol é insignificantecomparada a distância até as estrelas;

5. O movimento aparente das estrelas é resultadoda rotação da Terra em trono de seu eixo;

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• Tycho Brahe, nobre dinamarquês (1546 – 1601) – observa aorigem de uma nova estrela (supernova); propõe que osplanetas giram em torno do Sol, porém o Sol e a Lua giramem torno da Terra;

• Em 1599 se muda para Praga; Convida um jovem cientistaalemão Johannes Kepler (1571 – 1630) para trabalhar comoseu assistente;

• Com a morte de Tycho, Keppler interpreta as observações deTycho no modelo centrado no Sol, demorando 8 anos paraconcluir;

• Demonstrou que:

1. Os planetas se movem em elipses;2. A velocidade dos planetas varia constantemente (mais

rápida próximo ao Sol);3. O Sol não é exatamente o centro dessas órbitas

(excentricidade);

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• Galileu Galilei (1564 – 1642) defende o modelo heliocêntrico de Copérnico. Mas em 1616,o livro de Copérnico é banido (63 anos depois de publicado) considerado herético;

• Desenvolveu seu próprio telescópio;

• Em 1609 descobre que Vênus orbita o Sol; Identifica 4 luas de Júpiter; Verifica manchas no Sol;

• Observa a Lua – cheia de protuberâncias e abismos;

http://www.astro.umontreal.ca/~paulchar/grps/site/images/galileo.html

Apesar de católico Galileu afirmava que: “A escritura sagrada destina-se a ensinar aoshomens como ir para o céu e não como o céu funciona”

De joelhos, foi forçado a negar seusargumentos e confinado em sua casaaté o dia de sua morte (8 de janeirode 1642);

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• Isaac Newton (1642 – 1727) – matemático inglês, aperfeiçoouos trabalhos de Galileu;

• Estabeleceu a lei da gravitação universal partindo do princípioque a força da gravidade atua igualmente em todos os tipos decorpos (seja numa maçã ou na lua); Explicação de formaunificada;

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• Nos séculos seguintes, a Igreja vai perdendo força e influência;

• Os cientistas passam a explicar fenômenos naturais de forma lógica porprocessos naturais;

• Apesar disso, a origem do universo estava além do conhecimento da época.Atribuindo-se agora quando Deus teria criado o universo;

• A pressão científica foi de encontro com a bíblia de fato com a publicação de“A origem das espécies” de Charles Darwin;

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• O termo Big Bang foi postulado pejorativamentepor Fred Hoyle em 1950 para o evento de iníciodo Universo (acreditava-se que o Universo erafinito em idade e matéria de várias idades –átomos antigos com recém-formados do nada);

• Atualmente é a teoria mais aceita para a origemdo cosmo (estrelas, planetas, gases, poeiracósmica, etc.);

• Postula que há cerca de 14 bilhões de anos toda amatéria do universo se concentrava em um únicominúsculo ponto < que a cabeça de um alfinete;

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• Energia estava concentradanum único ponto comdensidade imensurável(singularidade) – Tempo eEspaço não existiam;

• O tempo surge quando asingularidade começa aevoluir, ou seja, mudançaspodem ser quantificadas (senada muda, o tempo édesnecessário);

• Instabilidade provocou umexpansão dessa energia(semelhante a umaexplosão);

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Relação Espaço e Tempo

• Nada existia fora da singularidade – tempo e espaço eram nulos;

• O físico alemão Albert Einstein demonstrou que o espaço e tempo estavamintimamente relacionados e um não existe sem o outro;

• O tempo e espaço são relativos, dependendo do referencial;

• Nada é mais veloz que a luz 300.000 km/s (no vácuo);

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• Einstein postulou que se um objeto fosse possível viajar em velocidadespróximas da luz, o tempo passaria mais devagar. Na velocidade da luz otempo simplesmente para!

• No entanto, para um observador parado o tempo passa mais depressa.

• Portanto, o tempo-espaço é relativo a cada ponto de referencial;

• Consequência o tempo se dilata (passa devagar)!!!;

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• Imagine um observador parado dentro de um foguete em que há uma lâmpada no piso eum espelho no teto; Para o observador, a lâmpada e o espelho estão parados;

• A lanterna acende e apaga emitindo um fóton;

• O observador enxerga o feixe subindo e descendo numa trajetória retilínea;

• Segundo a relatividade especial, o tempo é máximo para o observador parado

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• Para um observador de fora, o mesmo feixe de luz faz uma trajetória triangular nomomento que sobe, bate no espelho e desce;

• Por ter percorrido um maior espaço, o feixe de luz “demorou” mais para subir e descer;

• Logo, quanto maior a velocidade, mais espaço percorrido e mais lento o tempo;

• Para o observador de fora, o foguete se “contrai” diminuindo seu comprimento;

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• Ainda de acordo com Einstein narelatividade geral, tempo-espaço-gravidade-massa estão intimamente relacionados;

• A massa dos corpos celestes deformam oespaço-tempo no seu entorno (gravidade é oresultado da deformação) – a distorção serámaior tanto quanto a massa;

• O espaço curvo no entorno do Sol, porexemplo, dilata o tempo da luz de umaestrela que passar próxima, pois a massa doSol é suficientemente grande para gerar umcampo gravitacional e desviar a trajetória daluz gerando uma curvatura no espaço-tempo;

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• Edwin Hubble, em sua tese de doutorado, calculou a relação entre distância de afastamentoe velocidade das galáxias;

• Através dessas observações concluiu-se que:• Galáxias mais distantes possuem maior velocidade de afastamento;

• Universo se expande em todas as direções (o espaço entre estrelas aumenta – maior comprimento deonda);

• Extrapolando-se as velocidades de afastamento, pode-se definir que toda a matéria esteve unida nopassado há ±14 Ba.

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• Ao observar o Universo, têm-se a impressão de que a Terra é o centro e todo oresto está se afastando;

• Tal efeito ocorre em qualquer lugar de observação no Universo produzido pelaprópria expansão;

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• Atualmente o Universo só pode serestudado dentro de regiões em que aluz se propaga desde o início do BigBang;

• O espaço - ou matéria restrita a semover em velocidades menores que aluz - pode ser mais do que o visível;

• Observações de sondas espaciais(Hubble Space Telescope) temmostrado que o Universo temacelerado sua expansão (Esperava-seque houvesse desaceleração devido aatração gravitacional);

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• De fato o que ocorre não são as galáxias em si que estão aumentando suas velocidades, maso espaço entre elas;

Num tempo inicial as distâncias entre as passas são:

AB = 1 cmAC = 5 cmAD = 16 cm

Após passada 1 hora, o bolo dobra de tamanho e asdistâncias serão:

AB = 2 cmAC = 10 cmAD = 32 cm

As velocidades então calculadas:AB = 1 cm/hAC = 5 cm/hAD = 16 cm/h

Implica dizer que a cada uma hora a distância dobra. Quanto maisdistante, maior a velocidade de afastamento!

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• Tal efeito pode ser intrínseco dageometria do Universo(“Constante Cosmológica deEinstein”) ou de alguma forçaindetectável associada à algumaenergia desconhecida no vácuodo espaço (Dark Energy = EnergiaEscura);

• A energia escura atuaria comouma força antigravitacional(pressão repulsiva);

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• Em larga escala, o Universo comporta-se demaneira exótica;

• Galáxias em espirais giram em um centrocomum de rotação devido a força exercidapela gravidade;

• Apresentam velocidades de movimentomaiores do que o esperado pelas suasmassas (Difere da velocidade esperadapartindo do cálculo da densidade damatéria visível);

• Tal velocidade de rotação sugere que amatéria presente nas galáxias deveria serem torno de 5 a 6 vezes maior que aobservada;

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• É razoável postular uma forma de matériaque não possa, até o momento, ser vistaou detectada e que permeiaabundantemente o Universo DarkMatter = Matéria Escura;

• A matéria escura parece não interagir coma luz, no entanto, interage com outraspartículas subatômicas podendo interagirfracamente ou invisivelmente com amatéria normal (seria capaz de atravessaruma rocha);

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• Natureza da matéria e energia escuras;

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Abundância de Matéria no Universo

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• Se retroagirmos no tempo as galáxias estavam mais próximas até chegar a um ponto emcomum (singularidade), onde houve a explosão (Big Bang) – Assumindo-se a constante deHubble imutável;

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Alguns problemas

• A expansão do Universo é infinita ou irá ocorrer um big crunch?

• Partes da teoria ainda não possuem explicações;

• Energia e matéria escuras ainda desconhecidas;

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• Após o início do Big Bang atéaproximadamente 380.000 anos, oselementos químicos de peso leve formam-se (Hidrogênio, Deutério e Hélio);

• Forças nucleares forte e fraca, além doeletromagnetismo e gravidade atuam naformação de outros elementos;

• A interação entre forças e a matéria dáinício à formação de corpos gasosos eposteriormente maciços, os quais colidemintensamente;

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Hipótese da Nebulosa

• Hipótese proposta pelo filósofoalemão Immanuel Kant e omatemático francês Pierre Laplace,no final do século XVIII.

• Estágios da formação do sistemasolar que pode explicar a disposiçãoorbital dos planetas,aproximadamente no mesmo planoe porque todos os planetas orbitamo Sol na mesma direção.

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• Formação da nebulosa solar. Imensa nuvem depoeira e gás, muito maior que o sistema solarque conhecemos;

• Formação de um PROTOSOL: Sob a influênciada gravidade, a rotação começa a contrair egirar mais rápido. A nuvem condensa em umdisco com um denso núcleo extremamentequente, o Protosol, com uma região externadifusa, os discos protoplanetares;

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O aumento da rotação condensa o gás e a poeira em anéis dentro do disco de protoplanetas.Colisão de partículas de gelo e poeira dão origem aos planetesimais.

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• O disco de gases e poeiras em torno de protoestrelas são fontes de matéria para formaçãode planetas;

• O fluxo turbulento desse material dá início à colisões nas quais o calor dos impactos fundemalguns desse materiais que com o tempo tendem a crescer (acresção planetesimal);

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Se todos os planetas são formados pelos mesmos materiais, por que elesdiferem?

• Sequência de condensação a distância dos planetesimais do Sol resulta emdiferenciação química;

– Planetas próximos ao Sol altas temperaturas; apenas materiais como metais esilicatos se condensam;

– Planetas distantes do Sol baixas temperaturas; condensam água, metano e amônia;

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Planetesimais próximos do protosolconsistem em material denso e resistenteao calor, formando os quatro planetasrochosos.

Nos anéis mais afastados, osplanetesimais formados de rocha e gelocrescem suficientemente para atrairgrande nuvens de gás e dão origem aosquatro gigantes gasosos.

A colisão entre planetesimais “limpou” aórbita do Sistema Solar.

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http://apod.nasa.gov/apod/ap060828.html

(Planetas)

(Planetas Anões)

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Formação da Terra

• Há cerca de 4.56 Ba uma nuvem (nebulosa) em forma de disco que orbitavao sol rica em poeira e gelo dá origem aos planetas, satélites, asteróides ecometas, por acresção;

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Formação da Lua ( ̴4,5 Ba)

1. Entre o meio e o final do estágio de acresção da Terra (~4,5Ba), um corpo do tamanho de Marte colidiu com a Terra;

2. Maior parte da energia do impacto foi absorvido por umaTerra ainda parcialmente fundida;

3. O impacto aumentou a velocidade de rotação da terra einclinou seu eixo em relação ao plano orbital;

4. Após o impacto, grande quantidade de detrito foi ejetadoda Terra;

5. O material solidificou-se no entorno da órbita terrestre,acrescendo-se até formar a Lua;

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• Amostra de meteorito lunar (Dar al Gani 400) encontrado no local de mesmo nome na Líbiaem 1998;

• Apresentam mesma composição química das rochas lunares trazidas pela Missão Apollo daNASA;

http://museumvictoria.com.au/pages/19486/000049726c-39.jpg

(Brecha Anortosítica)

CAHHIL et al., 2004. Petrogenesis of lunar highlandsmeteorites: Dhofar 025, Dhofar 081, Dar al Gani 262, andDar al Gani 400. Meteoritics & Planetary Science, 39(4):503-529.

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• Fortes evidências da formação da Lua por impacto com a Terra. R.C. Paniello et al. (2012)Nature 490, 376-379.

Isótopos de Zn na Lua são mais pesados que

encontrados na Terra, indicando perda dos leves por

vaporização* do que atividade vulcânica;

*Vapor gerado devido ao impacto de alta energia;

Anortosito lunar

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Diferenciação da Terra em Camadas após Acresção

• O impacto das partículas durante oprocesso de acresção gerou calor(transformação de energia cinética emcalor) suficiente para fundir a maioriados minerais silicáticos (SiO4)favorecendo a diferenciação atômica(Elementos de maior peso atômicoafundam para o centro da Terra);

• Os elementos que formavamestruturas cristalinas, agora fundidos,estavam livres para formar novosarranjos, associando-se com outroelementos compatíveis;

Elementos leves

Ferro

Solid iron inner core = Núcleo Interno de Fe; Crust = Crosta; Liquid iron outer core= Núcleo externo líquido; Mantle = Manto.

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• Núcleo interno metálico se forma (Ferro e Níquel);

• Colisões constantes na Terra jovem;

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• 4 Ga – Formação da crosta terrestre rica em rochassilicáticas - SiO2;

• Calor aprisionado dentro da Terra gera atividadesvulcânicas;

• Atmosfera primordial – Liberação de CO2 dointerior e acresção de gases do espaço, inclusivepor impacto de cometas;

• Composição – CO2, H2O (vapor), N2;

DEGASEAMENTO

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Origem dos oceanos:

• O resfriamento gradual daterra permitiu a água emforma líquida;

• Início de acumulação deágua em depressões dacrosta sólida (mares elagos);

• Bólidos formados decristais de gelocomplementaram ovolume de água dosoceanos.

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• Baseado nos modelos atuais, a Terra apresenta duas prováveis fontes mistasde água para os oceanos:

Pelo processo de degaseificação do manto da Terra

Contribuição de planetesimais e cometas: asteroides contendo gelo.

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• Oceanos se formam em ~ 3,8 Ba – de quando datam as primeiras formas devida Cianobactérias procariontes;

http://www.ucmp.berkeley.edu/bacteria/cyanofr.html

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• Estromatólitos Rochas calcárias formadaspela secreção de cianobactérias;

• Cianobactérias realizam fotossíntese esecretam CaCO3 (carbonato de cálcio) emcamadas laminadas;

• Estruturas sedimentares em formas deabóbodas mais antigas foram descobertas naAustrália e África do Sul;

• Ainda hoje, ocorrem na Austrália, Bahamas eBrasil, por exemplo.

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