Os planetas do sistema solar
Terra
Dados da Terra
A Terra, o 3º planeta a contar do Sol, apesar de ser aquele que conhecemos melhor, continua a ser o que nos intriga mais. Única no nosso sistema solar, a complexidade física e química dos mecanismos que a fizeram um lugar tão propício à vida continua a surpreender-nos e a intrigar-nos. Terá sido a origem da vida na Terra um evento único num Universo estéril, ou terá sido apenas o passo seguinte, natural em todos os planetas pelo Universo fora que reúnam condições semelhantes? A física poderá ajudar a responder a esta pergunta. Com a física podemos descobrir os mecanismos que estão em jogo na estabilidade e equilíbrio essenciais à vida: o movimento da Terra no presente, no passado e no futuro, a importância da Lua na estabilidade do eixo da Terra e, portanto, na do seu clima, a natureza do Sol e o seu papel energético, a composição química na atmosfera e no interior da Terra, entre muitos mais segredos que nos ajudarão a definir o espectro de condições em que a vida é possível.
Movimento de translação
A Terra demora 365.256 dias a completar uma volta ao Sol. É este movimento, combinado com a inclinação do seu eixo que dá origem às estações do ano que tão bem conhecemos.
Movimento de rotação, o dia e a noite.
A Terra leva 23.9345 horas a fazer uma rotação
em torno do seu eixo que tem uma inclinação de 23.45º com
o plano da eclíptica. É este o movimento responsável pela
passagem dos dias e das noites. No entanto, na antiguidade pensava-se que eram
o Sol e os outros planetas e estrelas que se deslocavam em torno da Terra.
De facto, a passagem dos dias e das noites não é prova de que
a Terra roda, uma vez que o movimento é relativo e seria igualmente
plausível admitir que é o Sol e toda a esfera celeste que
giram. Podemos no entanto provar que é a Terra que gira sobre
si mesma fazendo a experiência do pêndulo de Foucault, figura da
direita.
Se é verdade que a Terra roda, então o plano de oscilação de
um pêndulo, que seria sempre o mesmo para um observador fixo, será visto a rodar
por um observador que se mova com a Terra. Esta experiência
foi realizada pela primeira vez em 1851 pelo físico francês Jean Bernard Leon
Foucault (1819-1868), usando um pêndulo pendurado do tecto do Panthéon de Paris.
Em lugares longe do pólo Norte ou do pólo Sul, o efeito da rotação da Terra
no movimento aparente do plano de oscilação do pêndulo não é tão fácil de calcular
como no caso da figura. O período desse movimento aparente depende da latitude
do lugar onde o pêndulo é posto a oscilar.
Em 2002, a experiência do pêndulo de Foucault foi escolhida pelos leitores da revista Physics World como uma das dez mais belas experiências de sempre. No átrio do edifício do Museu de Ciência, mesmo antes da recepção, pode apreciar-se uma montagem desta experiência. Se for ao Museu, observe à entrada a posição do plano de oscilação do pêndulo e repare à saída como esta mudou em relação à sala. No pólo Norte ou no pólo Sul, o movimento aparente do plano de oscilação de um pêndulo completaria uma rotação em torno da vertical em 24h, seguindo o movimento da Terra. Em Lisboa, à latitude de 38º, este movimento aparente é mais lento e o plano de oscilação do pêndulo completa uma rotação em aproximadamente dia e meio.
Precessão do eixo de rotação da Terra
Juntamente com os dois movimentos periódicos de rotação própria e de translação, a Terra exibe também um subtil movimento de precessão do seu eixo de rotação, com uma periodicidade de 26.000 anos. Foi detectado pela primeira vez há mais de 2000 anos, no séc. II A.C., por Hiparco. Neste movimento, a orientação do eixo da Terra relativamente à esfera celeste muda, o que faz mudar também as referências para o Norte e Sul geográficos na esfera celeste, os pólos celestes norte e sul. Por exemplo, no tempo dos descobrimentos a estrela polar (Polaris) encontrava-se 3º desviada do verdadeiro pólo norte celeste. Esta discrepância tinha que ser levada em conta em quaisquer cálculos de navegação. Hoje em dia, Polaris tem uma discrepância de apenas 1º e por essa razão é que nos habituámos a confiar na referência "estrela polar" como indicadora do pólo norte. Daqui a uns milhares de anos a estrela polar deixará de ser a Polaris e passará a ser Vega ou Thuban. A figura seguinte mostra o círculo que desenha o eixo da Terra na esfera celeste ao longo do seu movimento de precessão.
Como mostra a figura, o movimento de precessão leva também a que o plano do equador da Terra mude de orientação, e é a intercepção deste plano com o plano da eclíptica que marca a posição dos equinócios. Assim sendo, a precessão da Terra conduz também a uma lenta alteração dos equinócios no calendário, chamada precessão dos equinócios.
A precessão acontece porque a Terra roda sobre si mesma. Por um lado, isso levou a que, devido a efeitos centrífugos, o nosso planeta não seja perfeitamente esférico mas ligeiramente achatado nos pólos (o diâmetro equatorial é 43 Km maior que o diâmetro de pólo a pólo). Por outro, pela sua obliquidade, as forças gravitacionais que o Sol ou a Lua exercem sobre a Terra, mais intensas sobre a parte mais próxima do que sobre a mais afastada da deformação equatorial, tendem a 'endireitar' o eixo de rotação, como mostra a figura seguinte. O efeito destas forças, no entanto, não é o de endireitar o eixo de rotação mas sim o de o fazer precessar, o mesmo efeito que todos já observámos num pião. Tal como um pião sujeito ao peso não cai enquanto se mantêm a rodar, também a rotação da Terra sob a acção quer do Sol quer da Lua mantém a sua obliquidade, enquanto precessa em torno da direcção perpendicular ao plano da sua órbita.
As forças responsáveis pela precessão do eixo de rotação da Terra são um exemplo de forças de maré, o nome genérico que se dá ao efeito de forças gravitacionais diferenciais sobre corpos extensos, e que resulta de a intensidade da força gravitacional diminuir com a distância. Um outro exemplo destas forças é o mecanismo pelo qual a atracção gravítica da Lua dá origem às marés.
Para além do movimento de precessão, a influência gravitacional dos outros planetas do sistema solar leva a movimentos ainda mais subtis do eixo de rotação da Terra. Por exemplo, a obliquidade, que temos dito que é constante e igual a 23.5º, tem na verdade um movimento próprio chamado nutação, uma ligeira oscilação provocada principalmente pela mudança da posição relativa do Sol e da Lua entre si, que leva também a ligeiras variações da velocidade de precessão. A componente mais importante deste movimento tem um período aproximado de 19 anos.
Terra - O Planeta e a vida
A Terra é o maior dos planetas terrestres. Ao que tudo indica, a sua formação começou também pela agregação de pequenos planetesimais que, juntamente com cometas ricos em gelo que com eles terão colidido, criaram a matéria prima do mundo que hoje conhecemos. De forma a compreendermos a sua história química e geológica, que por sua vez permitiram uma história biológica, é útil olharmos para a abundância média de elementos no Universo e percebermos o papel que tiveram na evolução do nosso planeta.
- Hidrogénio (H) - É o primeiro elemento da tabela periódica, e o mais leve. É de longe o elemento mais abundante do Universo, mas devido à sua massa reduzida facilmente se escapa do campo gravitacional de pequenos planetas como a Terra. É por esta razão que, ao contrário dos gigantes gasosos, a Terra não formou uma atmosfera predominantemente de hidrogénio. Contudo, o hidrogénio que restou permitiu formar moléculas mais pesadas de H2O.
- Hélio (He) - Segundo elemento mais abundante do Universo e segundo elemento da tabela periódica. Tal como o hidrogénio, é leve demais para ter formado parte predominante da atmosfera terrestre. Além disso é um gás raro, o que significa que tem dificuldades em ligar-se quimicamente a outros elementos.
- Oxigénio (O) - Terceiro elemento mais abundante do Universo, e o mais abundante para a combinação com o hidrogénio, dando origem à molécula de água H2O. Terá sido o vapor de água a molécula principal da atmosfera primordial da Terra. Como se sabe, a molécula de água também absorve infravermelhos, o que significa que também contribuí para o efeito de estufa; este factor terá ajudado a retardar o arrefecimento da Terra nos seus primeiros tempos de vida. Quando as temperaturas diminuíram suficientemente, o vapor de água condensou e formaram-se os oceanos. Nesta fase, a diminuição de vapor de água na atmosfera terá reduzido significativamente o efeito de estufa, provocando uma redução mais rápida da temperatura que terá levado ao congelamento dos oceanos.
- Carbono (C) - O quarto elemento mais comum no Universo. Se não
fosse o carbono a Terra ficaria um planeta gelado para sempre. O dióxido
de carbono libertado na atmosfera pela actividade vulcânica permitiu
compensar a diminuição de vapor de água e conservar parte
do calor libertado pela Terra, o que elevou de novo a temperatura.
Desta forma os oceanos descongelaram e regressaram ao estado líquido,
cobrindo 71% da superfície terrestre. Provavelmente existiria então
uma maior abundância de CO2 .
Entretanto, com o aparecimento de vida no nosso planeta a composição da atmosfera mudou radicalmente. Com os primeiros organismos vivos a transformarem energia solar em energia química, através da fotossíntese, um processo que consome CO2 e água e liberta O2, as quantidades de dióxido de carbono na atmosfera diminuíram significativamente, aumentando as quantidades de oxigénio. De início, o oxigénio libertado terá reagido com outras substâncias e formado óxidos. No entanto, com a proliferação de vida, a quantidade de oxigénio continuou a aumentar, tendo começado, a partir de uma certa altura, a ser depositado livre na renovada atmosfera terrestre.
Com uma abundância tão grande de O2 desenvolveram-se formas de vida, tal como nós, que através da respiração conseguem energia transformando O2 em CO2.
O interior da Terra
Para além da energia do Sol e da de rotação da Terra, que vai sendo muito lentamente transferida para os oceanos devido às forças de maré da Lua, o nosso planeta dispõe ainda de uma terceira fonte de energia: O seu calor interno.
De facto, a Terra é um planeta geologicamente vivo, com actividade vulcânica, um campo magnético global (indicador de um interior líquido), e dividido em placas tectónicas, onde estão assentes os continentes e os oceanos, em permanente mudança. A actividade vulcânica e sísmica na Terra é de tal maneira importante que a maior parte da sua superfície tem menos de 100 milhões de anos (a Terra tem aproximadamente 5 mil milhões de anos). A energia que alimenta esta actividade provém do interior fundido da Terra, composto principalmente por derivados de ferro. A melhor maneira de obter informação sobre o seu interior é através das ondas sísmicas. Sempre que ocorrem terramotos, os geólogos sabem que as ondas que estes produzem sofrem refracção, tal como um raio de luz, que também é uma onda, muda de direcção ao atravessar a superfície de separação entre dois meios conforme a natureza dos dois materiais. Através destas medições, conseguem obter dados importantes sobre a densidade dos materiais a diferentes profundidades e portanto, sobre a sua composição química. Normalmente divide-se a Terra em 4 camadas distintas caracterizadas pela sua densidade e temperatura. Como sabemos, cada material tem uma determinada temperatura de fusão que depende também da pressão. Quanto maior for a pressão a que um material está sujeito, mais difícil é derretê-lo. No interior da Terra passa-se uma espécie de competição entre temperatura e pressão: Por um lado as temperaturas aumentam à medida que a profundidade aumenta, por outro a pressão também aumenta, mas não aumentam da mesma maneira. É a relação entre as duas que nos permite saber a que profundidade é que os materiais estão no estado líquido e a que profundidade estão no estado sólido. A figura abaixo mostra a estrutura interna da Terra.
O campo magnético da Terrestre
Como dissemos, a Terra possui também um campo magnético global causado pelo movimento de cargas no seu interior líquido induzido pela rotação da Terra e pela energia térmica. Ainda não é claro como o campo surge, mas simulações recentes indicam que aqueles são os principais factores responsáveis pela sua génese. A importância prática das bússolas na orientação fez com que o magnetismo, e o campo magnético da Terra, fossem usados desde muito antes de a física ter desvendado as propriedades destes fenómenos e a sua relação com o movimento de cargas eléctricas. Um aspecto interessante e descoberto há pouco tempo, é que o campo magnético da Terra inverte o seu sentido periodicamente; por exemplo, há 30.000 anos o pólo norte magnético era no pólo Sul geográfico. A evidência deste fenómeno encontra-se na observação de rochas de diferentes idades: os pequenos magnetes permanentes de uma rocha, quando arrefece, na altura da sua formação, irão alinhar-se com o sentido do campo, e ficam 'congelados' nessa configuração quando a rocha arrefece. Passados milhares de anos, o sentido que esses magnetes possuírem indica o sentido do campo magnético na altura da sua formação.
Uma das razões pela qual o campo magnético da Terra é tão importante, para além de ter ajudado os navegadores portugueses a não perderem o norte, é porque serve de escudo ao vento solar que fustiga a Terra, e todo o sistema solar. Este vento é composto por electrões e protões, partículas com carga eléctrica com origem no Sol, que chegam à Terra com grande quantidade de energia. Se a Terra não possuísse campo magnético, seria constantemente bombardeada por estas partículas, o que poderia ter consequências nefastas para a vida. No entanto, uma partícula com carga eléctrica que encontre um campo magnético sofre uma força que a desvia da sua direcção inicial. Assim sendo, como mostra a figura seguinte à esquerda, o campo serve de protecção a estas rajadas. Por vezes, junto aos pólos, onde o campo magnético é mais fraco, algumas partículas conseguem penetrar na atmosfera terrestre; quando isso acontece, podem colidir com átomos excitando-os para níveis elevados de energia. Estes átomos por sua vez tendem a regressar aos níveis mais baixos, e quando o fazem, emitem a luz visível que dá origem às famosas auroras observadas junto aos pólos, figura da direita.
A Terra só tem uma lua, que terá ficado presa ao campo gravítico terrestre após uma colisão, nos primeiros tempos do sistema solar, entre um protoplaneta e a Terra.
A Lua é o único satélite da Terra e todos sabemos que nos mostra sempre a mesma face. Isto acontece porque o seu período de rotação é igual ao seu período de translação. Diz-se que tem uma rotação síncrona. Este fenómeno é muito geral no sistema solar e é provocado pelas forças de maré que a Terra exerce na Lua, favorecendo esta configuração. Demasiado pequena para reter uma atmosfera, sem campo magnético global, a Lua está geologicamente morta como indicam as grandes quantidades de crateras que observamos.
Segundo a teoria da colisão a Lua é o resultado da colisão de um objecto aproximadamente do tamanho de Marte com a Terra primitiva, o que permite explicar a maior parte das características que observamos hoje em dia. A interacção gravitacional com a Terra afasta-a de nós 3.8 cm por ano. Por sua vez as marés que induz na Terra estão a diminuir a velocidade de rotação do nosso planeta e portanto a aumentar a duração do dia em 0.002 segundos por século. A Lua tem um papel fundamental na estabilização do eixo da Terra. Se não existisse, a Terra estaria sujeita a fortes oscilações na sua obliquidade que teriam decerto, impossibilitado o desenvolvimento de vida no nosso planeta.
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