6 de setembro de 2019

Sol e Terra: um relacionamento de vida e morte - Parte I

Por Marco Gonzalez

O relacionamento entre o Sol e a Terra começou há cerca de 4,5 bilhões de anos quando ambos nasceram de uma gigantesca nuvem rotativa de poeira e gás, chamada Nebulosa Solar. Ela entrou em colapso devido à sua gravidade esmagadora, girou cada vez mais rapidamente e se achatou na forma de um disco. 98% dos fragmentos da nebulosa foram arrastados para o seu centro formando o Sol e o material que restou foi usado para formar os planetas, inclusive a Terra. Surgia o Sistema Solar.

Portanto, como se formaram da mesma a nuvem de poeira e gás, Sol e Terra são constituídos por praticamente os mesmos componentes, com uma pequena e importante diferença: a Terra tem menor quantidade de elementos voláteis que evaporam a altas temperaturas.

De qualquer forma, parece ter sido um bom começo para um relacionamento duradouro.

Representação esquemática do Sol (fonte: NASA) e da Terra (fonte: NASA

As aparências parecem sugerir que Sol e Terra têm uma relação harmoniosa, pois a energia que vem do Sol aquece a Terra, impedindo-a de congelar. Nossa atmosfera retém a energia solar na forma de calor e são mantidas temperaturas razoavelmente confortáveis em boa parte do planeta. São as conexões e interações entre o Sol e a Terra que impulsionam no nosso planeta as estações do ano, as correntes oceânicas, o clima, os cinturões de radiação e as auroras, porém...

Até recentemente, acreditava-se que o Sol nos enviava apenas calor e luz e isto era confortante. Entretanto, aos poucos outras radiações e materiais corpusculares enviados pelo Sol foram sendo descobertos. Os indícios iniciais vieram de alterações substanciais identificadas na estrutura atmosférica da Terra, principalmente em sua porção superior.

Será que estas descobertas justificariam acreditar em um relacionamento de vida e morte entre o Sol e a Terra?

O Sol

O Sol é uma bola de gases incandescentes. Sua gravidade mantém o chamado Sistema Solar unido, incluindo em sua órbita desde grandes planetas até pequenas partículas de detritos.

Classificação

Embora seja classificado como estrela anã amarela, sua cor real é branca. Ele parece amarelo para nós por causa da atmosfera terrestre. O Sol, entretanto, é uma estrela anã especialmente grande com seu raio de 695.508 quilômetros. Em comparação com a Terra, é 332.946 vezes maior em massa e 1,3 milhão de vezes maior em volume.

Localização, órbita e rotação

Localizado em um braço espiral da Via Láctea, o Sol a orbita a uma velocidade média de 720.000 km/h e leva cerca de 230 milhões de anos para dar uma volta completa levando consigo seus planetas, além de outros objetos do espaço, como asteroides e cometas. Como não é um corpo sólido, suas partes giram ao redor de si mesmo a velocidades diferentes: no equador gira uma vez a cada 25 dias terrestres e nos polos, mais lentamente, completa um giro a cada 36 dias.

Composição e estrutura

O Sol é composto, em volume, por 91% de hidrogênio e 8,9% de hélio. Em massa, esta proporção se altera: 70,6% de hidrogênio e 27,4% de hélio.

Imagem esquemática mostrando a estrutura do Sol (fonte: NASA - traduzido)

Quanto à estrutura, o Sol pode ser subdividido em seis regiões, do interior para o exterior:

  • núcleo, 
  • zona radiativa, 
  • zona convectiva, 
  • fotosfera (a superfície visível), 
  • cromosfera e 
  • coroa.

A força de gravidade do Sol o mantém sob enormes pressão e temperatura, principalmente em seu núcleo onde o calor chega a 15.000.000ºC, suficiente para sustentar uma fusão termonuclear. É o que acontece no núcleo do Sol: cada átomo de hidrogênio, com um único próton, funde-se com outro átomo de hidrogênio gerando hélio, com dois prótons e dois nêutrons, liberando energia na forma de luz e calor.

Na verdade, é liberada uma gigantesca quantidade de energia que é levada ao exterior por radiação. Para sair do núcleo, atravessar a zona radiativa e chegar à zona convectiva, esta energia leva cerca de 170.000 anos alcançando o destino com uma temperatura de 2.000.000ºC. Na zona convectiva grandes bolhas de plasma quente (uma sopa de átomos ionizados) se movem para o exterior.

Na fotosfera, uma camada gasosa com 500 km de espessura, o Sol apresenta uma temperatura de cerca de 5.500ºC, suficiente para ferver diamante e grafite. A radiação da fotosfera chega à Terra rapidamente, em cerca de oito minutos, o que mantém "aceso" o relacionamento entre ela e o Sol.

Acima da fotosfera, a tênue cromosfera e a coroa formam uma fina atmosfera solar. A temperatura desta atmosfera do Sol aumenta com a altitude, chegando novamente a 2.000.000ºC, fenômeno ainda não explicado. É nesta atmosfera que ocorrem as manchas solares e as erupções. Elas são de difícil visualização contra a brilhante fotosfera, a não ser nos momentos de eclipse solar total.

As manchas solares são regiões mais frias e mais escuras causadas por distúrbios magnéticos solares. O ciclo das manchas solares pode ser descrito como uma variação periódica da quantidade de magnetismo solar gerado nas profundezas do Sol por um dínamo natural que se inverte a cada onze anos.

O Sol e sua atmosfera com uma das maiores erupções solares já registradas (fonte: NASA - foto de 19/12/1973)

coroa solar, que de longe geralmente parece suave, em fotografias de raios X tem sua composição revelada. É constituída por fluxos de gás quente canalizados ao longo de linhas de força magnética, chamados arcos coronais. Além destes arcos, loops muito pequenos aparecem repentina e aleatoriamente emitindo raios X intensos. Também podem ser vistos buracos coronais escuros e compridos expondo a cromosfera, que é mais fria. Há ainda outros fenômenos como, por exemplo, os transientes coronais que iniciam com uma gigantesca bolha, causada por uma erupção solar, e que transportam campos magnéticos.

A Terra

A Terra é o terceiro planeta mais próximo do Sol e o quinto em tamanho. Dos quatro planetas mais próximos dele, todos constituídos por rocha e metal, a Terra é o maior. É o único lugar no Sistema Solar com água líquida na superfície e o único que conhecemos no Universo, até agora, que é habitável por seres vivos.

Estrutura

Imagem esquemática mostrando a estrutura da Terra
Imagem esquemática mostrando a estrutura da Terra com o núcleo interno (no centro, em amarelo) e as demais subdivisões em direção ao exterior: núcleo externo (em amarelo mais claro), manto inferior, manto superior e crosta terrestre (fonte: CharlesC)

estrutura da Terra é constituída pelas seguintes partes:

  • núcleo interno: 1.221 km de raio, temperatura de 5.400ºC, constituído por ferro e níquel;
  • núcleo externo: 2.300 km de espessura, constituído por fluidos de ferro e níquel;
  • manto: 2.900 km de espessura, constituído por uma mistura quente e viscosa de rocha derretida e
  • crosta: 30 km de espessura em média nos continentes e cerca de 5 km sob os oceanos, que cobrem quase 70% da superfície da Terra. A litosfera, formada pela parte superior do manto e pela crosta, é quebrada em placas tectônicas que estão em colisão permanente umas com as outras.

Rotação e órbita

A Terra, com um raio de 6.371 quilômetros, completa uma rotação em torno de si a cada 23,9 horas e realiza órbita completa ao redor do Sol a cada 365,25 dias.

O eixo de rotação da Terra tem uma inclinação de 23,4 graus em relação ao plano da sua órbita. Isto faz com que tenhamos um ciclo anual de estações. Neste ciclo, cada um dos hemisférios fica voltado em direção ao Sol em parte do ano recebendo mais calor. A Lua, que gira na órbita ao redor da Terra, estabiliza a oscilação do nosso planeta e faz com que o clima apresente menos variações ao longo do tempo.

A órbita da Terra (em azul) em volta do Sol (em amarelo) e as estações climáticas (fonte: Caliver - traduzido)
O solstício de verão ocorre quando é máxima a inclinação do eixo de rotação da Terra em direção ao Sol. Temos neste momento o dia mais longo do ano e a noite mais curta. O contrário acontece no solstício de inverno, quando é máxima a inclinação do eixo da Terra em direção contrária ao Sol. O equinócio é o momento em que o dia e a noite têm a mesma duração (fonte: weather).

As estações se alternam na Terra devido à inclinação do seu eixo de rotação e não em função da distância do nosso planeta em relação ao Sol. A inclinação do eixo afeta a quantidade de luz solar direta, ou seja, a insolação. Quanto mais perpendiculares estão os raios do sol em relação à superfície terrestre, mais eficiente será o aquecimento produzido, sendo máximo no solstício de verão e mínimo no solstício de inverno em cada hemisfério.

Afastamento do Sol

A Terra dista 150 milhões de quilômetros do Sol, mas, assim como os demais planetas do Sistema Solar, ela está se afastando dele. Em 3 de janeiro de 2019, quando a Terra alcançou o periélio (o ponto em sua órbita elíptica mais próximo do Sol), ela estava 1,5 centímetros mais distante do Sol do que em janeiro de 2018.

Este afastamento acontece devido à diminuição da força gravitacional do Sol causada principalmente pela sua perda anual de cerca de 4,7 milhões de toneladas de matéria. Em 4,5 bilhões de anos, ele já perdeu 0,03% de sua massa original. Entretanto, há diversos outros fatores em jogo, como a curvatura adicional do espaço-tempo devido à Relatividade Geral, a presença de partículas de matéria no plano do Sistema Solar e a criação de ondas gravitacionais.

No início da sua formação, a Terra estava 50.000 quilômetros mais próxima do Sol.

A atmosfera terrestre

atmosfera da Terra é constituída por 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases. Ela é subdividida nas seguintes camadas:

  • troposfera: até uma altura que varia entre 8 e 14,5 km;
  • estratosfera: até 50 km de altura;
  • mesosfera: até 85 km;
  • termosfera: até 600 km;
  • ionosfera: sobrepõe-se à mesosfera e à termosfera, indo além e chegando até 965 km acima e
  • exosfera: do topo da termosfera até 10.000 km acima.

A camada mais úmida, a troposfera engloba 75 a 80% da atmosfera e tem uma altura que varia com a latitude (é mais baixa nos polos e mais alta no equador) e com as estações (é mais baixa no inverno e mais alta no verão). Na troposfera, a temperatura, a pressão e a densidade do ar diminuem com a altitude.

Ao contrário, as temperaturas da estratosfera são maiores no topo e isto faz com que seu ar seja pouco turbulento. É uma camada muito seca, com poucas nuvens. O ozônio, relativamente abundante, aquece a estratosfera absorvendo energia da radiação ultravioleta que chega do Sol. Devido à falta de convecção vertical, os materiais que entram nela podem permanecer por um longo tempo, alguns favorecendo a criação dos conhecidos buracos na camada de ozônio.

Na mesosfera, a temperatura diminui com a altitude, podendo alcançar cerca de -90ºC. São as temperaturas mais baixas da atmosfera. A maioria dos meteoros se vaporizam na mesosfera, fazendo com que esta camada tenha uma concentração relativamente alta de ferro. A dificuldade de realizar medições na mesosfera a torna pouco conhecida.

Aurora boreal vista da Estação Espacial Internacional (fonte: NASA - foto de 07/02/2012)

As auroras boreal (as luzes do norte) e austral (as luzes do sul) ocorrem principalmente na termosfera. São produzidas pela emissão de fótons de luz devido à colisão de partículas carregadas (elétrons, prótons e outros íons vindos do espaço) com átomos e moléculas em altas latitudes. Nesta camada, as temperaturas são mais elevadas na base e depois diminuem permanecendo constantes até o topo. Elas se elevam com o aumento da atividade solar variando entre 500ºC e 2.000ºC, sendo 200ºC mais elevadas durante o dia. A densidade do ar é muito baixa. Grande parte dos raios X e da radiação ultravioleta do Sol é absorvida na termosfera.

ionosfera é a parte da atmosfera que recebe elevada carga de energia, sendo ionizada pela radiação solar (principalmente de dia, quando os raios X e a luz ultravioleta do Sol aumentam a ionização) e pela radiação cósmica (principalmente de noite, mas de maneira menos intensa). A ionosfera favorece a propagação de ondas de rádio até locais distantes da Terra e até os satélites.

Na última camada, a exosfera, o ar é extremamente rarefeito, assemelhando-se ao vazio do espaço sideral. Por esta razão, alguns cientistas não a consideram como parte da atmosfera. A base desta camada varia de altitude em função da espessura da termosfera que aumenta quando há mais manchas solares, radiação ultravioleta e raios X vindos do Sol.

Magnetosfera solar e magnetosfera terrestre

A heliosfera é o volume do espaço controlado pela magnetosfera solar, ou seja, pelo campo magnético do Sol que, ao girar, faz com que este campo magnético se transforme em uma grande espiral rotativa, chamada Espiral de Parker.

A cada onze anos aproximadamente, os polos geográficos do Sol alteram a polaridade magnética, afetando a calma (ou violência) da fotosfera, da cromosfera e da coroa solar. Na chamada máxima solar ocorrem as maiores tempestades com manchas, erupções e ejeções de massa coronal, liberando enorme quantidade de energia e partículas. Algumas alcançam a Terra e podem danificar satélites, corroer oleodutos e afetar redes elétricas.

Por aqui, a rotação da Terra e seu núcleo de níquel-ferro fundido produzem também um campo magnético que constitui a magnetosfera terrestre, com seu geodínamo, cujos polos também invertem de tempos em tempos o magnetismo. Qualquer partícula solar, para alcançar nosso planeta, deve antes passar por ela.

Somente outros três planetas do Sistema Solar possuem campos magnéticos: Mercúrio, Júpiter e Saturno.



Visto daqui da Terra, o Sol parece uma estrela média bastante estável. Quando estudado do espaço, ele revela outros fenômenos preocupantes e, visto mais de perto, percebe-se que o Sol é um lugar de violentos distúrbios. Tal comportamento poderia abalar o relacionamento entre ele e a Terra?

Leia a sequência em:

Sol e Terra: um relacionamento de vida e morte - Parte II

Um comentário:

Victor Suckau disse...

Sou fascinado com está relação de vida e morte entre a Terra e Sol...Portanto, este brilhante artigo escrito pelo Marco me é muito instigante e traz à luz dados importantes e interessantes. Inclusive complementa um documentário interessantíssimo, o seriado "One Strange Rock" (NatGeo), que recomendo. Parabéns, Marco

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