9.3: Crateras de impacto
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Compare e contraste ideias sobre como as crateras lunares se formam
- Explicar o processo de formação da cratera de impacto
- Discuta o uso da contagem de crateras para determinar as idades relativas das formas de relevo lunares
Origem vulcânica versus impacto das crateras
A Lua fornece uma referência importante para entender a história do nosso sistema planetário. A maioria dos mundos sólidos mostra os efeitos dos impactos, muitas vezes remontando à época em que uma grande quantidade de detritos do processo de formação do nosso sistema ainda estava presente. Na Terra, essa longa história foi apagada por nossa geologia ativa. Na Lua, em contraste, a maior parte da história do impacto é preservada. Se pudermos entender o que aconteceu na Lua, talvez possamos aplicar esse conhecimento em outros mundos. A Lua é especialmente interessante porque não é qualquer lua, mas nossa Lua — um mundo próximo que compartilhou a história da Terra por mais de 4 bilhões de anos e preservou um registro que, para a Terra, foi destruído por nossa geologia ativa.
Até meados do século XX, os cientistas geralmente não reconheciam que as crateras lunares eram o resultado de impactos. Como as crateras de impacto são extremamente raras na Terra, os geólogos não esperavam que elas fossem a principal característica da geologia lunar. Eles argumentaram (talvez inconscientemente) que, como as crateras que temos na Terra são vulcânicas, as crateras lunares devem ter uma origem similar.
Um dos primeiros geólogos a propor que as crateras lunares foram o resultado de impactos foi Grove K. Gilbert, cientista do Serviço Geológico dos EUA na década de 1890. Ele ressaltou que as grandes crateras lunares - características circulares com bordas de montanhas com pisos geralmente abaixo do nível das planícies circundantes - são maiores e têm formas diferentes das crateras vulcânicas conhecidas na Terra. As crateras vulcânicas terrestres são menores e mais profundas e quase sempre ocorrem no topo das montanhas vulcânicas (Figura\(\PageIndex{1}\)). A única alternativa para explicar as crateras da Lua era a origem do impacto. Seu raciocínio cuidadoso, embora não fosse aceito na época, lançou as bases para a ciência moderna da geologia lunar.
Gilbert concluiu que as crateras lunares foram produzidas por impactos, mas ele não entendia por que todas elas eram circulares e não ovais. O motivo está na velocidade de escape, a velocidade mínima que um corpo deve atingir para se afastar permanentemente da gravidade de outro corpo; também é a velocidade mínima que um projétil se aproximando da Terra ou da Lua atingirá. Atraído pela gravidade do corpo maior, o pedaço que chega atinge com pelo menos uma velocidade de escape, que é de 11 quilômetros por segundo para a Terra e 2,4 quilômetros por segundo (5400 milhas por hora) para a Lua. A essa velocidade de escape é adicionada qualquer velocidade que o projétil já tinha em relação à Terra ou à Lua, normalmente 10 quilômetros por segundo ou mais.
Nessas velocidades, a energia do impacto produz uma explosão violenta que escava um grande volume de material de forma simétrica. Fotografias de crateras de bombas e projéteis na Terra confirmam que as crateras de explosão são sempre essencialmente circulares. Somente após a Primeira Guerra Mundial os cientistas reconheceram a semelhança entre crateras de impacto e crateras de explosão, mas, infelizmente, Gilbert não viveu para ver sua hipótese de impacto amplamente aceita.
O processo de criação de crateras
Vamos considerar como um impacto nessas altas velocidades produz uma cratera. Quando um projétil tão rápido atinge um planeta, ele penetra duas ou três vezes seu próprio diâmetro antes de parar. Durante esses poucos segundos, sua energia de movimento é transferida para uma onda de choque (que se espalha pelo corpo alvo) e para o calor (que vaporiza a maior parte do projétil e parte do alvo ao redor). A onda de choque fratura a rocha do alvo, enquanto o vapor de silicato em expansão gera uma explosão semelhante à de uma bomba nuclear detonada no nível do solo (Figura). O tamanho da cratera escavada depende principalmente da velocidade do impacto, mas geralmente é de 10 a 15 vezes o diâmetro do projétil.
Uma explosão de impacto do tipo descrito acima leva a um tipo característico de cratera, conforme mostrado na Figura. A cavidade central é inicialmente em forma de tigela (a palavra “cratera” vem da palavra grega para “tigela”), mas o rebote da crosta a preenche parcialmente, produzindo um piso plano e às vezes criando um pico central. Ao redor da borda, deslizamentos de terra criam uma série de terraços.
A borda da cratera é levantada pela força da explosão, então ela se eleva acima do chão e do terreno adjacente. Ao redor da borda há uma manta ejetada que consiste em material jogado fora pela explosão. Esses detritos recuam para criar uma região acidentada e montanhosa, tipicamente tão larga quanto o diâmetro da cratera. Ejetos adicionais de alta velocidade caem a maiores distâncias da cratera, geralmente cavando pequenas crateras secundárias onde atingem a superfície (Figura/(9.2.4\)).
Alguns desses fluxos de material ejetado podem se estender por centenas ou até milhares de quilômetros da cratera, criando os raios brilhantes da cratera que são proeminentes nas fotos lunares tiradas quase em fase completa. Os raios da cratera lunar mais brilhantes estão associados a grandes crateras jovens, como Kepler e Tycho.
observando a lua
A Lua é uma das vistas mais bonitas do céu e é o único objeto próximo o suficiente para revelar sua topografia (características da superfície, como montanhas e vales) sem a visita de uma espaçonave. Um telescópio amador relativamente pequeno mostra facilmente crateras e montanhas na Lua com apenas alguns quilômetros de diâmetro.
Mesmo visto por meio de um bom par de binóculos, podemos observar que a aparência da superfície da Lua muda drasticamente com sua fase. Em fase completa, quase não mostra nenhum detalhe topográfico, e você deve olhar atentamente para ver mais do que algumas crateras. Isso ocorre porque a luz do sol ilumina a superfície diretamente e, nessa iluminação plana, nenhuma sombra é projetada. Muito mais reveladora é a vista próxima ao primeiro ou terceiro trimestre, quando a luz do sol entra pela lateral, fazendo com que as características topográficas projetem sombras nítidas. Quase sempre é mais gratificante estudar uma superfície planetária sob essa iluminação oblíqua, quando é possível obter o máximo de informações sobre o relevo da superfície.
A iluminação plana em fase cheia, no entanto, acentua os contrastes de brilho na Lua, como aqueles entre a maria e as terras altas. Observe na Figura que várias das grandes crateras de éguas parecem estar cercadas por material branco e que as faixas de luz ou raios que podem se estender por centenas de quilômetros em toda a superfície são claramente visíveis. Essas características mais leves são objetos ejetados, salpicados do impacto que forma a cratera.
A propósito, não há perigo em olhar para a Lua com binóculos ou telescópios. A luz do sol refletida nunca é brilhante o suficiente para prejudicar seus olhos. Na verdade, a superfície iluminada pelo sol da Lua tem aproximadamente o mesmo brilho de uma paisagem iluminada pelo sol de rocha escura na Terra. Embora a Lua pareça brilhante no céu noturno, sua superfície é, em média, muito menos refletiva do que a da Terra, com sua atmosfera e nuvens brancas. Essa diferença é bem ilustrada pela foto da Lua passando em frente à Terra, tirada da espaçonave Deep Space Climate Observatory (Figura). Como a espaçonave capturou a imagem de uma posição dentro da órbita da Terra, vemos os dois objetos totalmente iluminados (Lua cheia e Terra cheia). A propósito, você não pode ver muitos detalhes na Lua porque a exposição foi definida para fornecer uma imagem brilhante da Terra, não da Lua.
Uma coisa interessante sobre a Lua que você pode ver sem binóculos ou telescópios é popularmente chamada de “a lua nova nos braços da velha lua”. Olhe para a Lua quando ela é uma lua crescente fina, e muitas vezes você pode ver o círculo tênue de todo o disco lunar, mesmo que a luz do sol brilhe apenas sobre o crescente. O resto do disco é iluminado não pela luz do sol, mas pela luz da terra — luz do sol refletida da Terra. A luz de toda a Terra na Lua é cerca de 50 vezes mais brilhante do que a da Lua cheia que brilha na Terra.
Usando contagens de crateras
Se um mundo teve pouca erosão ou atividade interna, como a Lua durante os últimos 3 bilhões de anos, é possível usar o número de crateras de impacto em sua superfície para estimar a idade dessa superfície. Por “idade”, aqui queremos dizer o tempo desde que uma grande perturbação ocorreu naquela superfície (como as erupções vulcânicas que produziram a maria lunar).
Não podemos medir diretamente a taxa na qual as crateras estão sendo formadas na Terra e na Lua, já que o intervalo médio entre grandes impactos de formação de crateras é maior do que toda a história da humanidade. Nosso exemplo mais conhecido de uma cratera tão grande, a Cratera do Meteoro no Arizona (Figura\(\PageIndex{6}\)), tem cerca de 50.000 anos. No entanto, a taxa de crateras pode ser estimada a partir do número de crateras na maria lunar ou calculada a partir do número de potenciais “projéteis” (asteróides e cometas) presentes no sistema solar atualmente. Ambas as linhas de raciocínio levam aproximadamente às mesmas estimativas.
Para a Lua, esses cálculos indicam que uma cratera de 1 quilômetro de diâmetro deve ser produzida a cada 200.000 anos, uma cratera de 10 quilômetros a cada poucos milhões de anos e uma ou duas crateras de 100 quilômetros a cada bilhão de anos. Se a taxa de crateras permaneceu a mesma, podemos descobrir quanto tempo deve ter levado para fazer todas as crateras que vemos na maria lunar. Nossos cálculos mostram que isso levaria vários bilhões de anos. Esse resultado é semelhante à idade determinada para a maria a partir da datação radioativa de amostras devolvidas — 3,3 a 3,8 bilhões de anos.
O fato de esses dois cálculos concordarem sugere que a suposição original dos astrônomos estava certa: cometas e asteróides em aproximadamente seus números atuais têm impactado as superfícies planetárias por bilhões de anos. Cálculos realizados para outros planetas (e suas luas) indicam que eles também foram sujeitos a aproximadamente o mesmo número de impactos interplanetários durante esse período.
Temos boas razões para acreditar, no entanto, que antes de 3,8 bilhões de anos atrás, as taxas de impacto devem ter sido muito maiores. Isso se torna imediatamente evidente ao comparar o número de crateras nas terras altas lunares com as da maria. Normalmente, há 10 vezes mais crateras nas terras altas do que em uma área similar de maria. No entanto, a datação radioativa de amostras das terras altas mostrou que elas são apenas um pouco mais velhas que a maria, normalmente 4,2 bilhões de anos em vez de 3,8 bilhões de anos. Se a taxa de impactos tivesse sido constante ao longo da história da Lua, as terras altas teriam que ser pelo menos 10 vezes mais velhas. Portanto, eles teriam que se formar há 38 bilhões de anos — muito antes do início do próprio universo.
Na ciência, quando uma suposição leva a uma conclusão implausível, devemos voltar atrás e reexaminar essa suposição — nesse caso, a taxa de impacto constante. A contradição é resolvida se a taxa de impacto variar ao longo do tempo, com um bombardeio muito mais pesado antes de 3,8 bilhões de anos atrás (Figura). Esse “bombardeio pesado” produziu a maioria das crateras que vemos hoje nas terras altas.
Essa ideia que estamos explorando — de que grandes impactos (especialmente durante o início da história do sistema solar) desempenharam um papel importante na formação dos mundos que vemos — não é exclusiva de nosso estudo da Lua. Ao ler os outros capítulos sobre os planetas, você verá mais indicações de que várias das características atuais do nosso sistema podem ser devidas a seu passado violento.
Resumo
Há um século, Grove Gilbert sugeriu que as crateras lunares foram causadas por impactos, mas o processo de formação de crateras não foi bem compreendido até mais recentemente. Impactos de alta velocidade produzem explosões e escavam crateras de 10 a 15 vezes o tamanho do impactor com bordas elevadas, mantas ejetadas e, muitas vezes, picos centrais. As taxas de crateras foram aproximadamente constantes nos últimos 3 bilhões de anos, mas antes eram muito maiores. A contagem de crateras pode ser usada para derivar idades aproximadas para características geológicas na Lua e em outros mundos com superfícies sólidas.