7.3: Datando superfícies planetárias

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Explique como os astrônomos podem saber se uma superfície planetária é geologicamente jovem ou velha
• Descreva diferentes métodos para datar planetas

Como sabemos a idade das superfícies que vemos nos planetas e nas luas? Se um mundo tem uma superfície (em vez de ser principalmente gasosa e líquida), os astrônomos desenvolveram algumas técnicas para estimar há quanto tempo essa superfície se solidificou. Observe que a idade dessas superfícies não é necessariamente a idade do planeta como um todo. Em objetos geologicamente ativos (incluindo a Terra), grandes derramamentos de rocha derretida ou os efeitos erosivos da água e do gelo, que chamamos de intemperismo planetário, apagaram evidências de épocas anteriores e nos apresentam apenas uma superfície relativamente jovem para investigação.

Contando as crateras

Uma forma de estimar a idade de uma superfície é contando o número de crateras de impacto. Essa técnica funciona porque a taxa na qual os impactos ocorreram no sistema solar tem sido aproximadamente constante por vários bilhões de anos. Assim, na ausência de forças para eliminar as crateras, o número de crateras é simplesmente proporcional ao período de tempo em que a superfície foi exposta. Essa técnica foi aplicada com sucesso em muitos planetas e luas sólidas (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\) Nossa Lua com Crateras. Esta imagem composta da superfície da Lua foi feita a partir de muitas imagens menores tiradas entre novembro de 2009 e fevereiro de 2011 pela Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) e mostra crateras de muitos tamanhos diferentes. (crédito: modificação do trabalho da NASA/GSFC/Arizona State University)

Lembre-se de que a contagem de crateras pode nos dizer apenas o momento em que a superfície sofreu uma grande mudança que poderia modificar ou apagar crateras preexistentes. Estimar a idade a partir da contagem de crateras é um pouco como caminhar pela calçada em uma tempestade de neve depois que a neve cai constantemente por um dia ou mais. Você pode notar que na frente de uma casa a neve é profunda, enquanto ao lado a calçada pode estar quase limpa. Você conclui que menos neve caiu na frente da casa da Sra. Jones do que na do Sr. Smith? O mais provável é que você conclua que Jones recentemente varreu a caminhada e Smith não. Da mesma forma, o número de crateras indica quanto tempo se passou desde que uma superfície planetária foi “limpa” pela última vez por fluxos contínuos de lava ou por materiais derretidos ejetados quando um grande impacto aconteceu nas proximidades.

Ainda assim, os astrônomos podem usar o número de crateras em diferentes partes do mesmo mundo para fornecer pistas importantes sobre como as regiões desse mundo evoluíram. Em um determinado planeta ou lua, o terreno com mais crateras geralmente será mais antigo (ou seja, mais tempo terá passado lá desde que algo varreu a região).

Rochas radioativas

Outra forma de traçar a história de um mundo sólido é medir a idade de rochas individuais. Depois que as amostras foram trazidas da Lua pelos astronautas da Apollo, as técnicas desenvolvidas para datar rochas na Terra foram aplicadas a amostras de rochas da Lua para estabelecer uma cronologia geológica para a Lua. Além disso, algumas amostras de material da Lua, Marte e do grande asteróide Vesta caíram na Terra como meteoritos e podem ser examinadas diretamente (veja o capítulo sobre Amostras Cósmicas e a Origem do Sistema Solar).

Cientistas medem a idade das rochas usando as propriedades da radioatividade natural. Por volta do início do século XX, os físicos começaram a entender que alguns núcleos atômicos não são estáveis, mas podem se separar (decair) espontaneamente em núcleos menores. O processo de decaimento radioativo envolve a emissão de partículas como elétrons ou de radiação na forma de raios gama (veja o capítulo sobre Radiação e Espectros).

Para qualquer núcleo radioativo, não é possível prever quando o processo de decaimento acontecerá. Essa decadência é de natureza aleatória, como o lançamento de dados: como os jogadores descobriram com muita frequência, é impossível dizer exatamente quando os dados aparecerão 7 ou 11. Mas, para um número muito grande de lançamentos de dados, podemos calcular as chances de 7 ou 11 aparecerem. Da mesma forma, se tivermos um número muito grande de átomos radioativos de um tipo (digamos, urânio), há um período de tempo específico, chamado meia-vida, durante o qual as chances são de cinquenta e cinquenta de que ocorra decaimento em qualquer um dos núcleos.

Um núcleo em particular pode durar menos ou mais tempo do que sua meia-vida, mas em uma amostra grande, quase exatamente metade dos núcleos terá decaído após um tempo igual a uma meia-vida. Metade dos núcleos restantes terá decaído após a passagem de duas meias-vidas, restando apenas metade da metade - ou um quarto - da amostra original (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura Decaimento\(\PageIndex{2}\) radioativo. Este gráfico mostra (em rosa) a quantidade de uma amostra radioativa que permanece após várias meias-vidas terem passado. Depois de uma meia-vida, resta metade da amostra; depois de duas meias-vidas, resta metade do restante (ou um quarto); e depois de três meias-vidas, resta metade disso (ou um oitavo). Observe que, na realidade, a decomposição de elementos radioativos em uma amostra de rocha não causaria nenhuma mudança visível na aparência da rocha; os toques de cor são mostrados aqui apenas para fins conceituais.

Se você tivesse 1 grama de núcleos radioativos puros com meia-vida de 100 anos, depois de 100 anos você teria

1/2 grama; após 200 anos, 1/4 grama; após 300 anos, apenas 1/8 grama; e assim por diante. No entanto, o material não desaparece. Em vez disso, os átomos radioativos são substituídos por seus produtos de decaimento. Às vezes, os átomos radioativos são chamados de pais e os produtos de decaimento são chamados de elementos filhos.

Dessa forma, elementos radioativos com meia-vida que determinamos podem fornecer relógios nucleares precisos. Ao comparar a quantidade de um elemento parental radioativo restante em uma rocha com a quantidade de seus produtos derivados acumulados, podemos aprender há quanto tempo o processo de decaimento está acontecendo e, portanto, há quanto tempo a rocha se formou. A tabela\(\PageIndex{1}\) resume as reações de decaimento usadas com mais frequência para datar rochas lunares e terrestres.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Reação de decaimento radioativo usada para datar rochas ¹

Pai	Filha	Half-Life (bilhões de anos)
Samário-147	Neodímio-143	106
Rubídio-87	Estrôncio-87	48,8
Tório-232	Chumbo-208	14,0
Urânio-238	Chumbo-206	4,47
Potássio-40	Argônio-40	1,31

A PBS fornece um trecho da série evolutiva que explica como usamos elementos radioativos para datar a Terra.

Este vídeo do Science Channel apresenta Bill Nye, o cara da ciência, mostrando como os cientistas usaram a datação radioativa para determinar a idade da Terra.

Quando os astronautas voaram pela primeira vez para a Lua, uma de suas tarefas mais importantes era trazer de volta as rochas lunares para datação radioativa. Até então, astrônomos e geólogos não tinham uma maneira confiável de medir a idade da superfície lunar. A contagem de crateras nos permitiu calcular idades relativas (por exemplo, as terras altas lunares com muitas crateras eram mais antigas do que as planícies de lava escura), mas os cientistas não conseguiram medir a idade real em anos. Alguns pensavam que as idades eram tão jovens quanto as da superfície da Terra, que foi ressurgida por muitos eventos geológicos. O fato de a superfície da Lua ser tão jovem implicaria uma geologia ativa em nosso satélite. Somente em 1969, quando as primeiras amostras da Apollo foram datadas, descobrimos que a Lua é um mundo antigo e geologicamente morto. Usando essas técnicas de datação, conseguimos determinar as idades da Terra e da Lua: cada uma foi formada há cerca de 4,5 bilhões de anos (embora, como veremos, a Terra provavelmente tenha se formado mais cedo).

Também devemos observar que a decomposição dos núcleos radioativos geralmente libera energia na forma de calor. Embora a energia de um único núcleo não seja muito grande (em termos humanos), o enorme número de núcleos radioativos em um planeta ou lua (especialmente no início de sua existência) pode ser uma fonte significativa de energia interna para esse mundo. Os geólogos estimam que cerca de metade do atual orçamento interno de calor da Terra vem da decomposição de isótopos radioativos em seu interior.

Conceitos principais e resumo

A idade das superfícies dos objetos no sistema solar pode ser estimada pela contagem de crateras: em um determinado mundo, uma região com mais crateras geralmente será mais antiga do que aquela com menos crateras. Também podemos usar amostras de rochas com elementos radioativos para obter o tempo desde a última solidificação da camada em que a rocha se formou. A meia-vida de um elemento radioativo é o tempo que leva para metade da amostra se decompor; determinamos quantas meias-vidas passaram por quanto de uma amostra permanece como elemento radioativo e quanto se tornou o produto de decaimento. Dessa forma, estimamos a idade da Lua e da Terra em aproximadamente 4,5 bilhões de anos.

Notas de pé

¹ O número após cada elemento é seu peso atômico, igual ao número de prótons mais nêutrons em seu núcleo. Isso especifica o isótopo do elemento; diferentes isótopos do mesmo elemento diferem no número de nêutrons.

Glossário

meia-vida

tempo necessário para que metade dos átomos radioativos em uma amostra se desintegrem

radioatividade

processo pelo qual certos tipos de núcleos atômicos decaem naturalmente, com a emissão espontânea de partículas subatômicas e raios gama