7.2: Composição e estrutura dos planetas
- Page ID
- 183557
Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva as características dos planetas gigantes, planetas terrestres e pequenos corpos no sistema solar
- Explique o que influencia a temperatura da superfície de um planeta
- Explique por que há atividade geológica em alguns planetas e não em outros
O fato de existirem dois tipos distintos de planetas — os planetas terrestres rochosos e os planetas jovianos ricos em gás — nos leva a acreditar que eles se formaram sob condições diferentes. Certamente, suas composições são dominadas por diferentes elementos. Vamos examinar cada tipo com mais detalhes.
Os planetas gigantes
Os dois maiores planetas, Júpiter e Saturno, têm quase a mesma composição química do Sol; eles são compostos principalmente pelos dois elementos hidrogênio e hélio, com 75% de sua massa sendo hidrogênio e 25% hélio. Na Terra, tanto o hidrogênio quanto o hélio são gases, então Júpiter e Saturno às vezes são chamados de planetas gasosos. Mas esse nome é enganoso. Júpiter e Saturno são tão grandes que o gás é comprimido em seu interior até que o hidrogênio se torne líquido. Como a maior parte dos dois planetas consiste em hidrogênio comprimido e liquefeito, deveríamos realmente chamá-los de planetas líquidos.
Sob a força da gravidade, os elementos mais pesados afundam em direção às partes internas de um planeta líquido ou gasoso. Tanto Júpiter quanto Saturno, portanto, têm núcleos compostos por rocha, metal e gelo mais pesados, mas não podemos ver essas regiões diretamente. Na verdade, quando olhamos de cima para baixo, tudo o que vemos é a atmosfera com suas nuvens rodopiantes (Figura\(\PageIndex{1}\)). Devemos inferir a existência do núcleo mais denso dentro desses planetas a partir de estudos da gravidade de cada planeta.
Urano e Netuno são muito menores que Júpiter e Saturno, mas cada um também tem um núcleo de rocha, metal e gelo. Urano e Netuno foram menos eficientes em atrair hidrogênio e gás hélio, então eles têm atmosferas muito menores em proporção aos seus núcleos.
Quimicamente, cada planeta gigante é dominado pelo hidrogênio e seus muitos compostos. Quase todo o oxigênio presente é combinado quimicamente com o hidrogênio para formar água (H 2 O). Os químicos chamam essa composição dominada pelo hidrogênio de reduzida. Em todo o sistema solar externo, encontramos água abundante (principalmente na forma de gelo) e química redutora.
Os planetas terrestres
Os planetas terrestres são bem diferentes dos gigantes. Além de serem muito menores, eles são compostos principalmente de rochas e metais. Estes, por sua vez, são feitos de elementos que são menos comuns no universo como um todo. As rochas mais abundantes, chamadas silicatos, são feitas de silício e oxigênio, e o metal mais comum é o ferro. Podemos dizer por suas densidades (ver Tabela\(7.1.2\)) que Mercúrio tem a maior proporção de metais (que são mais densos) e a Lua tem a menor. Terra, Vênus e Marte têm composições em massa aproximadamente semelhantes: cerca de um terço de sua massa consiste em combinações de ferro-níquel ou ferro-enxofre; dois terços são feitos de silicatos. Como esses planetas são compostos em grande parte de compostos de oxigênio (como os minerais de silicato de suas crostas), diz-se que sua química está oxidada.
Quando observamos a estrutura interna de cada um dos planetas terrestres, descobrimos que os metais mais densos estão em um núcleo central, com os silicatos mais leves perto da superfície. Se esses planetas fossem líquidos, como os planetas gigantes, poderíamos entender esse efeito como resultado do naufrágio de elementos mais pesados devido à atração da gravidade. Isso nos leva a concluir que, embora os planetas terrestres sejam sólidos hoje, em algum momento eles devem ter sido quentes o suficiente para derreter.
A diferenciação é o processo pelo qual a gravidade ajuda a separar o interior de um planeta em camadas de diferentes composições e densidades. Os metais mais pesados afundam para formar um núcleo, enquanto os minerais mais leves flutuam até a superfície para formar uma crosta. Mais tarde, quando o planeta esfria, essa estrutura em camadas é preservada. Para que um planeta rochoso se diferencie, ele deve ser aquecido até o ponto de fusão das rochas, que normalmente é superior a 1300 K.
Luas, asteróides e cometas
Química e estruturalmente, a Lua da Terra é como os planetas terrestres, mas a maioria das luas está no sistema solar externo e elas têm composições semelhantes aos núcleos dos planetas gigantes em torno dos quais orbitam. As três maiores luas — Ganimedes e Calisto no sistema joviano e Titã no sistema saturniano — são compostas pela metade de água congelada e metade por rochas e metais. A maioria dessas luas se diferenciou durante a formação e hoje elas têm núcleos de rocha e metal, com camadas superiores e crostas de gelo muito frio e, portanto, muito duro (Figura\(\PageIndex{2}\)).
A maioria dos asteróides e cometas, assim como as menores luas, provavelmente nunca foram aquecidas até o ponto de fusão. No entanto, alguns dos maiores asteróides, como o Vesta, parecem ser diferenciados; outros são fragmentos de corpos diferenciados. Como a maioria dos asteróides e cometas mantêm sua composição original, eles representam material relativamente não modificado que remonta à época da formação do sistema solar. Em certo sentido, eles agem como fósseis químicos, nos ajudando a aprender sobre uma época, há muito tempo, cujos traços foram apagados em mundos maiores.
Temperaturas: indo para extremos
De um modo geral, quanto mais longe um planeta ou lua estiver do Sol, mais fria será sua superfície. Os planetas são aquecidos pela energia radiante do Sol, que fica mais fraca com o quadrado da distância. Você sabe com que rapidez o efeito de aquecimento de uma lareira ou de um aquecedor radiante externo diminui à medida que você se afasta dela; o mesmo efeito se aplica ao sol. Mercúrio, o planeta mais próximo do Sol, tem uma temperatura de superfície escaldante que varia de 280 a 430° C em seu lado iluminado pelo sol, enquanto a temperatura da superfície em Plutão é de apenas -220° C, mais fria que o ar líquido.
Matematicamente, as temperaturas diminuem aproximadamente em proporção à raiz quadrada da distância do Sol. Plutão tem cerca de 30 UA no seu ponto mais próximo do Sol (ou 100 vezes a distância de Mercúrio) e cerca de 49 UA no ponto mais distante do Sol. Assim, a temperatura de Plutão é menor que a de Mercúrio pela raiz quadrada de 100, ou um fator de 10: de 500 K a 50 K.
Além da distância do Sol, a temperatura da superfície de um planeta pode ser fortemente influenciada por sua atmosfera. Sem nosso isolamento atmosférico (o efeito estufa, que mantém o calor), os oceanos da Terra estariam permanentemente congelados. Por outro lado, se Marte já teve uma atmosfera maior no passado, poderia ter suportado um clima mais temperado do que tem hoje. Vênus é um exemplo ainda mais extremo, onde sua densa atmosfera de dióxido de carbono atua como isolamento, reduzindo a fuga de calor acumulado na superfície, resultando em temperaturas maiores do que as de Mercúrio. Hoje, a Terra é o único planeta onde as temperaturas da superfície geralmente estão entre os pontos de congelamento e ebulição da água. Até onde sabemos, a Terra é o único planeta que sustenta vida.
Não há lugar como o lar
No clássico filme O Mágico de Oz, Dorothy, a heroína, conclui depois de suas muitas aventuras em ambientes “alienígenas” que “não há lugar como o lar”. O mesmo pode ser dito dos outros mundos do nosso sistema solar. Há muitos lugares fascinantes, grandes e pequenos, que gostaríamos de visitar, mas os humanos não sobreviveriam em nenhum sem uma grande quantidade de assistência artificial.
Uma atmosfera espessa de dióxido de carbono mantém a temperatura da superfície em nossa vizinha Vênus a uma temperatura escaldante de 700 K (perto de 900° F). Marte, por outro lado, tem temperaturas geralmente abaixo de zero, com o ar (também principalmente dióxido de carbono) tão fino que se assemelha ao encontrado a uma altitude de 30 quilômetros (100.000 pés) na atmosfera da Terra. E o planeta vermelho está tão seco que não chove há bilhões de anos.
As camadas externas dos planetas jovianos não são nem suficientemente quentes nem sólidas o suficiente para a habitação humana. Qualquer base que construímos nos sistemas dos planetas gigantes pode muito bem ter que estar no espaço ou em uma de suas luas — nenhuma delas é particularmente hospitaleira para um hotel de luxo com piscina e palmeiras. Talvez encontremos refúgios mais quentes nas profundezas das nuvens de Júpiter ou no oceano sob o gelo congelado de sua lua Europa.
Tudo isso sugere que é melhor cuidar bem da Terra porque é o único local onde a vida como a conhecemos poderia sobreviver. A atividade humana recente pode estar reduzindo a habitabilidade do nosso planeta ao adicionar poluentes à atmosfera, especialmente o potente gás de efeito estufa dióxido de carbono. A civilização humana está mudando nosso planeta dramaticamente, e essas mudanças não são necessariamente para melhor. Em um sistema solar que parece não estar pronto para nos receber, tornar a Terra menos hospitaleira à vida pode ser um erro grave.
Atividade geológica
As crostas de todos os planetas terrestres, bem como das luas maiores, foram modificadas ao longo de suas histórias por forças internas e externas. Externamente, cada um deles foi atingido por uma chuva lenta de projéteis vindos do espaço, deixando suas superfícies marcadas por crateras de impacto de todos os tamanhos (veja a Figura\(7.1.3\)). Temos boas evidências de que esse bombardeio foi muito maior no início da história do sistema solar, mas certamente continua até hoje, mesmo que em uma taxa menor. A colisão de mais de 20 grandes pedaços do cometa Shoemaker — Levy 9 com Júpiter no verão de 1994 (veja a Figura\(\PageIndex{3}\)) é um exemplo dramático desse processo.
A figura\(\PageIndex{4}\) mostra as consequências dessas colisões, quando nuvens de detritos maiores que a Terra podiam ser vistas na atmosfera de Júpiter.
Durante o tempo em que todos os planetas foram sujeitos a tais impactos, as forças internas nos planetas terrestres se curvaram e torceram suas crostas, construíram cadeias de montanhas, entraram em erupção como vulcões e geralmente remodelaram as superfícies no que chamamos de atividade geológica. (O prefixo geo significa “Terra”, então esse é um termo meio “chauvinista da Terra”, mas é tão amplamente usado que nos curvamos à tradição.) Entre os planetas terrestres, a Terra e Vênus experimentaram a maior atividade geológica ao longo de suas histórias, embora algumas das luas do sistema solar externo também estejam surpreendentemente ativas. Em contraste, nossa própria lua é um mundo morto onde a atividade geológica cessou bilhões de anos atrás.
A atividade geológica em um planeta é o resultado de um interior quente. As forças do vulcanismo e da construção de montanhas são impulsionadas pelo calor que escapa do interior dos planetas. Como veremos, cada um dos planetas foi aquecido no momento de seu nascimento, e esse calor primordial inicialmente impulsionou uma extensa atividade vulcânica, mesmo em nossa Lua. Mas objetos pequenos, como a Lua, logo esfriaram. Quanto maior o planeta ou a lua, mais tempo ele retém seu calor interno e, portanto, mais esperamos ver evidências superficiais de atividade geológica contínua. O efeito é semelhante à nossa própria experiência com uma batata assada quente: quanto maior a batata, mais lentamente ela esfria. Se quisermos que uma batata esfrie rapidamente, a cortamos em pequenos pedaços.
Na maioria das vezes, a história da atividade vulcânica nos planetas terrestres está em conformidade com as previsões dessa teoria simples. A Lua, o menor desses objetos, é um mundo geologicamente morto. Embora saibamos menos sobre Mercúrio, parece provável que esse planeta também tenha cessado a maior parte da atividade vulcânica na mesma época em que a Lua. Marte representa um caso intermediário. Tem sido muito mais ativo do que a Lua, mas menos do que a Terra. A Terra e Vênus, os maiores planetas terrestres, ainda têm interiores derretidos até hoje, cerca de 4,5 bilhões de anos após seu nascimento.
Conceitos principais e resumo
Os planetas gigantes têm núcleos densos aproximadamente 10 vezes a massa da Terra, cercados por camadas de hidrogênio e hélio. Os planetas terrestres consistem principalmente de rochas e metais. Eles já foram fundidos, o que permitiu que suas estruturas se diferenciassem (ou seja, seus materiais mais densos afundaram no centro). A Lua se assemelha aos planetas terrestres em composição, mas a maioria das outras luas - que orbitam os planetas gigantes - tem maiores quantidades de gelo congelado dentro delas. Em geral, os mundos mais próximos do Sol têm temperaturas de superfície mais altas. As superfícies dos planetas terrestres foram modificadas por impactos do espaço e por vários graus de atividade geológica.
Glossário
- diferenciação
- separação gravitacional de materiais de diferentes densidades em camadas no interior de um planeta ou lua