4.6: As marés do oceano e a lua
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Objetivos de
Ao final da seção, você poderá:
- Descreva o que causa as marés na Terra
- Explique por que a amplitude das marés muda ao longo de um mês
Qualquer pessoa que more perto do mar está familiarizada com o aumento e a descida das marés duas vezes ao dia. No início da história, ficou claro que as marés devem estar relacionadas à Lua porque o atraso diário na maré alta é o mesmo que o atraso diário no nascer da Lua. Uma explicação satisfatória das marés, no entanto, aguardava a teoria da gravidade, fornecida por Newton.
A atração da lua na Terra
As forças gravitacionais exercidas pela Lua em vários pontos da Terra estão ilustradas na Figura\(\PageIndex{1}\). Essas forças diferem um pouco umas das outras porque a Terra não é um ponto, mas tem um certo tamanho: todas as partes não estão igualmente distantes da Lua, nem todas estão exatamente na mesma direção da Lua. Além disso, a Terra não é perfeitamente rígida. Como resultado, as diferenças entre as forças de atração da Lua em diferentes partes da Terra (chamadas de forças diferenciais) fazem com que a Terra se distorça levemente. O lado da Terra mais próximo da Lua é atraído para a Lua com mais força do que o centro da Terra, que por sua vez é atraído mais fortemente do que o lado oposto à Lua. Assim, as forças diferenciais tendem a esticar ligeiramente a Terra em um esferóide prolato (uma forma de bola de futebol), com seu longo diâmetro apontado para a Lua.
Se a Terra fosse feita de água, ela se distorceria até que as forças diferenciais da Lua em diferentes partes de sua superfície entrassem em equilíbrio com as próprias forças gravitacionais da Terra unindo-a. Os cálculos mostram que, nesse caso, a Terra se distorceria de uma esfera em quantidades que variam de até quase 1 metro. Medições da deformação real da Terra mostram que a Terra sólida se distorce, mas apenas cerca de um terço da água, devido à maior rigidez do interior da Terra.
Como a distorção das marés da Terra sólida atinge, no máximo, apenas cerca de 20 centímetros, a Terra não distorce o suficiente para equilibrar as forças diferenciais da Lua com sua própria gravidade. Portanto, objetos na superfície da Terra experimentam pequenos puxões horizontais, tendendo a fazê-los deslizar. Essas forças de elevação de maré são muito insignificantes para afetar objetos sólidos, como estudantes de astronomia ou rochas na crosta terrestre, mas afetam as águas dos oceanos.
A formação das marés
As forças de elevação da maré, atuando ao longo de várias horas, produzem movimentos da água que resultam em protuberâncias de maré mensuráveis nos oceanos. A água do lado da Terra voltado para a Lua flui em sua direção, com as maiores profundidades aproximadamente no ponto abaixo da Lua. No lado da Terra oposto à Lua, a água também flui para produzir uma protuberância de maré (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Você pode executar essa animação para uma demonstração visual da protuberância das marés.
Observe que as protuberâncias de maré nos oceanos não resultam da compressão ou expansão da água pela Lua, nem da elevação da água pela Lua “para longe da Terra”. Em vez disso, eles resultam de um fluxo real de água sobre a superfície da Terra em direção às duas regiões abaixo e opostas à Lua, fazendo com que a água se acumule em profundidades maiores nesses locais (Figura\(\PageIndex{3}\)).
No modelo idealizado (e, como veremos, simplificado demais) que acabamos de descrever, a altura das marés seria de apenas alguns metros. A rotação da Terra levaria um observador em qualquer lugar alternadamente para regiões de águas mais profundas e rasas. Um observador sendo levado em direção às regiões abaixo ou opostas à Lua, onde a água era mais profunda, diria: “A maré está subindo”; quando levado para longe dessas regiões, o observador diria: “A maré está baixando”. Durante um dia, o observador passaria por duas protuberâncias de maré (uma em cada lado da Terra) e, assim, experimentaria duas marés altas e duas marés baixas.
O Sol também produz marés na Terra, embora seja menos da metade da eficácia da Lua na elevação da maré. As marés reais que experimentamos são uma combinação do efeito maior da Lua e do menor efeito do Sol. Quando o Sol e a Lua estão alinhados (na lua nova ou na lua cheia), as marés produzidas se reforçam mutuamente e, portanto, são maiores do que o normal (Figura\(\PageIndex{4}\)). Elas são chamadas de marés de primavera (o nome não está ligado à estação, mas à ideia de que as marés mais altas “brotam”). As marés da primavera são aproximadamente as mesmas, independentemente de o Sol e a Lua estarem no mesmo lado ou em lados opostos da Terra, porque as protuberâncias de maré ocorrem em ambos os lados. Quando a Lua está no primeiro quarto ou no último trimestre (em ângulo reto com a direção do Sol), as marés produzidas pelo Sol cancelam parcialmente as marés da Lua, tornando-as mais baixas do que o normal. Essas são chamadas de marés baixas.
A teoria “simples” das marés, descrita nos parágrafos anteriores, seria suficiente se a Terra girasse muito lentamente e estivesse completamente cercada por oceanos muito profundos. No entanto, a presença de massas de terra impedindo o fluxo de água, o atrito nos oceanos e entre os oceanos e o fundo do oceano, a rotação da Terra, o vento, a profundidade variável do oceano e outros fatores complicam o quadro. É por isso que, no mundo real, alguns lugares têm marés muito pequenas, enquanto em outros lugares marés enormes se tornam atrações turísticas. Se você já esteve nesses lugares, talvez saiba que as “tabelas de marés” precisam ser computadas e publicadas para cada local; um conjunto de previsões de maré não funciona para todo o planeta. Neste capítulo introdutório, não vamos nos aprofundar nessas complexidades.
George Darwin e a desaceleração da Terra
A fricção da água sobre a face da Terra envolve uma quantidade enorme de energia. Durante longos períodos de tempo, o atrito das marés está diminuindo a rotação da Terra. Nosso dia fica mais longo em cerca de 0,002 segundo a cada século. Isso parece muito pequeno, mas essas pequenas mudanças podem somar milhões e bilhões de anos.
Embora a rotação da Terra esteja diminuindo, o momento angular (veja Órbitas e Gravidade) em um sistema como o sistema Terra-Lua não pode mudar. Portanto, algum outro movimento de rotação deve ser acelerado para obter o momento angular extra. Os detalhes do que acontece foram elaborados há mais de um século por George Darwin, filho do naturalista Charles Darwin. George Darwin (ver Figura) tinha um grande interesse em ciências, mas estudou direito por seis anos e foi admitido na Ordem dos Advogados. No entanto, ele nunca exerceu a advocacia, retornando à ciência e eventualmente se tornando professor na Universidade de Cambridge. Ele era protegido de Lord Kelvin, um dos grandes físicos do século XIX, e se interessou pela evolução a longo prazo do sistema solar. Ele se especializou em fazer cálculos matemáticos detalhados (e difíceis) de como as órbitas e os movimentos mudam ao longo do tempo geológico.
O que Darwin calculou para o sistema Terra-Lua foi que a Lua lentamente espiralará para fora, longe da Terra. À medida que se afasta, ele orbitará menos rapidamente (assim como os planetas mais distantes do Sol se movem mais lentamente em suas órbitas). Assim, o mês ficará mais longo. Além disso, como a Lua estará mais distante, os eclipses totais do Sol não serão mais visíveis da Terra.
Tanto o dia quanto o mês continuarão ficando mais longos, embora tenha em mente que os efeitos são muito graduais. Os cálculos de Darwin foram confirmados por espelhos colocados na Lua pelos astronautas da Apollo 11. Isso mostra que a Lua está se afastando 3,8 centímetros por ano e que, em última análise, bilhões de anos no futuro, o dia e o mês terão a mesma duração (cerca de 47 dos nossos dias atuais). Neste ponto, a Lua estará estacionária no céu sobre o mesmo ponto da Terra, o que significa que algumas partes da Terra verão a Lua e suas fases e outras partes nunca as verão. Esse tipo de alinhamento já é válido para a lua de Plutão, Caronte (entre outras). Sua rotação e período orbital têm a mesma duração de um dia em Plutão.
Resumo
As marés oceânicas duas vezes ao dia são principalmente o resultado da força diferencial da Lua sobre o material da crosta terrestre e do oceano. Essas forças de maré fazem com que a água do oceano flua para duas protuberâncias de maré em lados opostos da Terra; a cada dia, a Terra gira através dessas protuberâncias. As marés oceânicas reais são complicadas pelos efeitos adicionais do Sol e pela forma das costas e bacias oceânicas.
Glossário
- marés
- aumento e descida alternados do nível do mar causados pela diferença na força da atração gravitacional da Lua em diferentes partes da Terra