9.5: Mercúrio

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Caracterize a órbita de Mercúrio ao redor do Sol
• Descreva a estrutura e composição de Mercúrio
• Explicar a relação entre a órbita e a rotação de Mercúrio
• Descreva a topografia e as características da superfície de Mercúrio
• Resuma nossas ideias sobre a origem e evolução de Mercúrio

Órbita de Mercúrio

O planeta Mercúrio é semelhante à Lua em muitos aspectos. Como a Lua, ela não tem atmosfera e sua superfície está repleta de crateras. Conforme descrito mais adiante neste capítulo, ele também compartilha com a Lua a probabilidade de um nascimento violento.

Mercúrio é o planeta mais próximo do Sol e, de acordo com a terceira lei de Kepler, tem o menor período de revolução em torno do Sol (88 de nossos dias) e a maior velocidade orbital média (48 quilômetros por segundo). Tem o nome apropriado em homenagem ao deus mensageiro dos romanos com pés frouxos. Como Mercúrio permanece próximo ao Sol, pode ser difícil detectá-lo no céu. Como era de se esperar, é melhor vê-lo quando sua órbita excêntrica o leva o mais longe possível do Sol.

O semi-eixo maior da órbita de Mercúrio, ou seja, a distância média do planeta em relação ao Sol, é de 58 milhões de quilômetros, ou 0,39 UA. No entanto, como sua órbita tem a alta excentricidade de 0,206, a distância real de Mercúrio do Sol varia de 46 milhões de quilômetros no periélio a 70 milhões de quilômetros no afélio (as ideias e termos que descrevem as órbitas foram introduzidos em Órbitas e Gravidade).

Composição e estrutura

A massa de Mercúrio é um oitavo da massa da Terra, tornando-o o menor planeta terrestre. Mercúrio é o menor planeta (exceto os planetas anões), com um diâmetro de 4878 quilômetros, menos da metade do da Terra. A densidade de Mercúrio é de 5,4 g/cm3, muito maior do que a densidade da Lua, indicando que a composição desses dois objetos difere substancialmente.

A composição de Mercúrio é uma das coisas mais interessantes sobre ele e o torna único entre os planetas. A alta densidade do mercúrio nos diz que ele deve ser composto em grande parte de materiais mais pesados, como metais. Os modelos mais prováveis para o interior de Mercúrio sugerem um núcleo metálico de ferro-níquel totalizando 60% da massa total, com o resto do planeta composto principalmente de silicatos. O núcleo tem um diâmetro de 3500 quilômetros e se estende até 700 quilômetros da superfície. Poderíamos pensar em Mercúrio como uma bola de metal do tamanho da Lua cercada por uma crosta rochosa de 700 quilômetros de espessura (Figura\(\PageIndex{1}\)). Ao contrário da Lua, Mercúrio tem um campo magnético fraco. A existência desse campo é consistente com a presença de um grande núcleo de metal e sugere que pelo menos parte do núcleo deve ser líquida para gerar o campo magnético observado. ¹

Figura Estrutura interna de\(\PageIndex{1}\) Mercúrio. O interior de Mercúrio é dominado por um núcleo metálico do mesmo tamanho da nossa Lua.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): Densidades de mundos

A densidade média de um corpo é igual à sua massa dividida por seu volume. Para uma esfera, a densidade é:

\[ \text{density }= \frac{\text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} \nonumber\]

Os astrônomos podem medir a massa e o raio com precisão quando uma espaçonave voa por um corpo.

Usando as informações deste capítulo, podemos calcular a densidade média aproximada da Lua.

Solução

Para uma esfera,

\[ \text{density } = \frac{ \text{mass}}{\frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{7.35 \times 10^{22} \text{ kg}}{4.2 \times 5.2 \times 10^{18} \text{ m}^3} = 3.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber\]

A tabela\(9.1.1\) fornece um valor de 3,3 g/cm ³, que é 3,3 × 10 ³ kg/m ³.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Usando as informações deste capítulo, calcule a densidade média de Mercúrio. Mostre seu trabalho. Seu cálculo está de acordo com o valor que fornecemos neste capítulo?

Resposta

\[ \text{density } = \frac{ \text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{3.3 \times 10^{23} \text{ kg}}{ 4.2 \times 1.45 \times 10^{19} \text{ m}^3} = 5.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber\]

Isso corresponde ao valor dado na Tabela\(9.1.1\) quando g/cm ³ é convertido em kg/m ³.

A estranha rotação de Mercúrio

Antigamente, acreditava-se que estudos visuais das marcas indistintas da superfície de Mercúrio indicavam que o planeta mantinha uma face voltada para o Sol (como a Lua faz com a Terra). Assim, por muitos anos, acreditou-se amplamente que o período de rotação de Mercúrio era igual ao seu período de revolução de 88 dias, tornando um lado perpetuamente quente enquanto o outro estava sempre frio.

Observações de radar de Mercúrio em meados da década de 1960, no entanto, mostraram conclusivamente que Mercúrio não mantém um lado fixo em direção ao Sol. Se um planeta está girando, um lado parece estar se aproximando da Terra enquanto o outro está se afastando dela. O desvio Doppler resultante espalha ou amplia a frequência precisa da onda de radar transmitida em uma faixa de frequências no sinal refletido (Figura\(\PageIndex{2}\)). O grau de ampliação fornece uma medida exata da taxa de rotação do planeta.

Figura: O radar\(\PageIndex{2}\) Doppler mede a rotação. Quando um feixe de radar é refletido de um planeta em rotação, o movimento de um lado do disco do planeta em nossa direção e do outro lado para longe de nós causa mudanças no Doppler no sinal refletido. O efeito é causar um desvio para o vermelho e um desvio para o azul, ampliando a propagação das frequências no feixe de rádio.

O período de rotação de Mercúrio (quanto tempo leva para girar em relação às estrelas distantes) é de 59 dias, o que representa apenas dois terços do período de revolução do planeta. Posteriormente, os astrônomos descobriram que uma situação em que a rotação e a órbita de um planeta (seu ano) estão na proporção de 2:3 se mostra estável. (Veja a caixa abaixo para saber mais sobre os efeitos de um dia tão longo em Mercúrio.)

Mercúrio, estando perto do Sol, é muito quente do lado do dia; mas como não tem uma atmosfera apreciável, fica surpreendentemente frio durante as longas noites. A temperatura na superfície sobe para 700 K (430 °C) ao meio-dia. Após o pôr do sol, no entanto, a temperatura cai, atingindo 100 K (—170 °C) pouco antes do amanhecer. (É ainda mais frio em crateras próximas aos pólos que não recebem luz solar alguma.) A faixa de temperatura em Mercúrio é, portanto, de 600 K (ou 600° C), uma diferença maior do que em qualquer outro planeta.

QUE DIFERENÇA UM DIA FAZ

Mercúrio gira três vezes para cada duas órbitas ao redor do Sol. É o único planeta que exibe essa relação entre sua rotação e sua órbita, e há algumas consequências interessantes para qualquer observador que um dia possa estar estacionado na superfície de Mercúrio.

Aqui na Terra, temos como certo que os dias são muito mais curtos do que anos. Portanto, as duas formas astronômicas de definir o “dia” local — quanto tempo o planeta leva para girar e quanto tempo o Sol leva para retornar à mesma posição no céu — são as mesmas na Terra para a maioria dos propósitos práticos. Mas esse não é o caso de Mercúrio. Enquanto Mercúrio gira (gira uma vez) em 59 dias terrestres, o tempo para o Sol retornar ao mesmo lugar no céu de Mercúrio é de dois anos de Mercúrio, ou 176 dias terrestres. (Observe que esse resultado não é intuitivamente óbvio, então não fique chateado se você não o inventou.) Assim, se um dia ao meio-dia uma exploradora de Mercúrio sugerir a sua companheira que eles se encontrem ao meio-dia do dia seguinte, isso pode significar um longo período de separação!

Para tornar as coisas ainda mais interessantes, lembre-se de que Mercúrio tem uma órbita excêntrica, o que significa que sua distância do Sol varia significativamente durante cada ano mercuriano. Pela lei de Kepler, o planeta se move mais rápido em sua órbita quando está mais próximo do Sol. Vamos examinar como isso afeta a maneira como veríamos o Sol no céu durante um ciclo de 176 dias terrestres. Veremos a situação como se estivéssemos na superfície de Mercúrio, no centro de uma bacia gigante que os astrônomos chamam de Caloris (Figura\(\PageIndex{4}\)).

No local de Caloris, Mercúrio está mais distante do Sol ao nascer do sol; isso significa que o Sol nascente parece menor no céu (embora ainda tenha mais do dobro do tamanho que parece da Terra). À medida que o Sol sobe cada vez mais alto, ele parece cada vez maior; Mercúrio agora está se aproximando do Sol em sua órbita excêntrica. Ao mesmo tempo, o movimento aparente do Sol diminui à medida que o movimento mais rápido de Mercúrio em órbita começa a acompanhar sua rotação.

Ao meio-dia, o Sol agora é três vezes maior do que parece da Terra e fica quase imóvel no céu. Com o passar da tarde, o Sol parece cada vez menor e se move cada vez mais rápido no céu. Ao pôr do sol, um ano inteiro de Mercúrio (ou 88 dias terrestres após o nascer do sol), o Sol volta ao seu menor tamanho aparente à medida que desaparece de vista. Depois, leva mais um ano de Mercúrio até que o Sol nasça novamente. (A propósito, o nascer e o pôr do sol são muito mais repentinos em Mercúrio, já que não há atmosfera para curvar ou dispersar os raios de sol.)

Os astrônomos chamam locais como a Bacia de Caloris de “longitudes quentes” em Mercúrio porque o Sol está mais próximo do planeta ao meio-dia, justamente quando permanece no alto por muitos dias terrestres. Isso torna essas áreas os lugares mais quentes de Mercúrio.

Nós mencionamos tudo isso não porque os detalhes exatos desse cenário sejam tão importantes, mas para ilustrar quantas das coisas que consideramos garantidas na Terra não são as mesmas em outros mundos. Como mencionamos anteriormente, uma das melhores coisas de fazer uma aula de astronomia é livrá-lo para sempre de qualquer “chauvinismo da Terra” que você possa ter. A forma como as coisas estão em nosso planeta é apenas uma das muitas maneiras pelas quais a natureza pode organizar a realidade.

A superfície do mercúrio

A primeira visão aproximada de Mercúrio veio em 1974, quando a espaçonave norte-americana Mariner 10 passou a 9500 quilômetros da superfície do planeta e transmitiu mais de 2000 fotografias para a Terra, revelando detalhes com uma resolução de até 150 metros. Posteriormente, o planeta foi mapeado detalhadamente pela espaçonave MESSENGER, que foi lançada em 2004 e fez vários sobrevoos da Terra, Vênus e Mercúrio antes de entrar em órbita ao redor de Mercúrio em 2011. Ele terminou sua vida em 2015, quando recebeu a ordem de colidir com a superfície do planeta.

A superfície de Mercúrio se assemelha fortemente à Lua na aparência (Figura\(\PageIndex{3}\) e Figura\(\PageIndex{4}\)). É coberto por milhares de crateras e bacias maiores de até 1300 quilômetros de diâmetro. Algumas das crateras mais brilhantes são radiadas, como Tycho e Copernicus na Lua, e muitas têm picos centrais. Também existem escarpas (penhascos) com mais de um quilômetro de altura e centenas de quilômetros de extensão, além de cordilheiras e planícies.

Os instrumentos MESSENGER mediram a composição da superfície e mapearam a atividade vulcânica anterior. Uma de suas descobertas mais importantes foi a verificação do gelo de água (detectado pela primeira vez por radar) em crateras próximas aos pólos, semelhante à situação na Lua, e a descoberta inesperada de compostos orgânicos (ricos em carbono) misturados com o gelo de água.

Cientistas trabalhando com dados da missão MESSENGER montaram um globo giratório de Mercúrio, em cor falsa, mostrando algumas das variações na composição da superfície do planeta. Você pode vê-lo girar.

Figura\(\PageIndex{3}\) A topografia do hemisfério norte de Mercúrio é mapeada detalhadamente a partir dos dados do MESSENGER. As regiões mais baixas são mostradas em roxo e azul, e as regiões mais altas são mostradas em vermelho. A diferença de elevação entre as regiões mais baixas e mais altas mostradas aqui é de aproximadamente 10 quilômetros. As crateras baixas, permanentemente sombreadas, próximas ao pólo norte, contêm gelo de água brilhante por radar. (crédito: modificação do trabalho da NASA/Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins/Instituição Carnegie de Washington)

Figura\(\PageIndex{4}\) Esta bacia de impacto parcialmente inundada é a maior característica estrutural conhecida em Mercúrio. As planícies lisas no interior da bacia têm uma área de quase dois milhões de quilômetros quadrados. Compare esta foto com [link], a Bacia do Oriente na Lua. (crédito: NASA/Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins/Instituição Carnegie de Washington)

A maioria das características mercurianas foi nomeada em homenagem a artistas, escritores, compositores e outros colaboradores das artes e humanidades, em contraste com os cientistas comemorados na Lua. Entre as crateras nomeadas estão Bach, Shakespeare, Tolstoy, Van Gogh e Scott Joplin.

Não há evidências de placas tectônicas em Mercúrio. No entanto, as distintas escarpas longas do planeta às vezes podem ser vistas cortando crateras; isso significa que as escarpas devem ter se formado mais tarde do que as crateras (Figura\(\PageIndex{5}\)). Esses penhascos longos e curvos parecem ter sua origem na leve compressão da crosta de Mercúrio. Aparentemente, em algum momento de sua história, o planeta encolheu, enrugando a crosta, e deve ter feito isso depois que a maioria das crateras em sua superfície já havia se formado.

Se a cronologia padrão de crateras se aplicar a Mercúrio, esse encolhimento deve ter ocorrido durante os últimos 4 bilhões de anos e não durante o período inicial de bombardeio pesado do sistema solar.

Figura\(\PageIndex{5}\) Discovery Scarp em Mercúrio. Esse longo penhasco, com quase 1 quilômetro de altura e mais de 100 quilômetros de comprimento, corta várias crateras. Os astrônomos concluem que a compressão que causou “rugas” como essa na superfície da prancha deve ter ocorrido após a formação das crateras. (crédito: modificação do trabalho da NASA/JPL/Northwestern University)

A origem do mercúrio

O problema de entender como Mercúrio se formou é o inverso do problema apresentado pela composição da Lua. Vimos que, ao contrário da Lua, Mercúrio é composto principalmente de metal. No entanto, os astrônomos acham que Mercúrio deveria ter se formado com aproximadamente a mesma proporção de metal para silicato encontrada na Terra ou em Vênus. Como ele perdeu tanto de seu material rochoso?

A explicação mais provável para a perda de silicato de Mercúrio pode ser semelhante à explicação para a falta de um núcleo de metal na Lua. É provável que Mercúrio tenha sofrido vários impactos gigantes muito cedo em sua juventude, e um ou mais deles podem ter arrancado uma fração de seu manto e crosta, deixando um corpo dominado por seu núcleo de ferro.

Você pode acompanhar algumas das pesquisas mais recentes da NASA sobre Mercúrio e ver algumas animações úteis na página da web do MESSENGER.

Hoje, os astrônomos reconhecem que o sistema solar primitivo era um lugar caótico, com os estágios finais da formação do planeta caracterizados por impactos de grande violência. Alguns objetos de massa planetária foram destruídos, enquanto outros poderiam ter se fragmentado e depois reformado, talvez mais de uma vez. Tanto a Lua quanto Mercúrio, com suas composições estranhas, testemunham as catástrofes que devem ter caracterizado o sistema solar durante sua juventude.

Resumo

Mercúrio é o planeta mais próximo do Sol e o que se move mais rápido. Mercúrio é semelhante à Lua por ter uma superfície com muitas crateras e não ter atmosfera, mas difere por ter um núcleo de metal muito grande. No início de sua evolução, aparentemente perdeu parte de seu manto de silicato, provavelmente devido a um ou mais impactos gigantes. Longas escarpas em sua superfície testemunham uma compressão global da crosta de Mercúrio durante os últimos 4 bilhões de anos.

Notas de pé

¹ Lembre-se do capítulo Radiação e Espectros de que o magnetismo é um efeito da movimentação de cargas elétricas. Em átomos de metais, os elétrons externos são mais fáceis de desalojar e podem formar uma corrente quando o metal está na forma líquida e pode fluir.