11.2: Os planetas gigantes
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objetivos de aprendizagem
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva as características físicas básicas, a aparência geral e a rotação dos planetas gigantes
- Descreva a composição e a estrutura de Júpiter, Saturno, Urano e Netuno
- Compare e contraste as fontes internas de calor dos planetas gigantes
- Descreva a descoberta e as características dos campos magnéticos dos planetas gigantes
Vamos agora examinar os quatro planetas gigantes (ou jovianos) com mais detalhes. Nossa abordagem não é apenas catalogar suas características, mas compará-las umas com as outras, observando suas semelhanças e diferenças e tentando relacionar suas propriedades com suas diferentes massas e distâncias do Sol.
Características básicas
Os planetas gigantes estão muito longe do Sol. Júpiter está mais de cinco vezes mais longe do Sol do que a distância da Terra (5 UA) e leva pouco menos de 12 anos para circundar o Sol. Saturno está cerca de duas vezes mais distante que Júpiter (quase 10 UA) e leva quase 30 anos para completar uma órbita. Urano orbita a 19 UA com um período de 84 anos, enquanto Netuno, a 30 UA, requer 165 anos para cada circuito do Sol. Essas longas escalas de tempo tornam difícil para nós, humanos de vida curta, estudar as mudanças sazonais nos planetas externos.
Júpiter e Saturno têm muitas semelhanças em composição e estrutura interna, embora Júpiter seja quase quatro vezes mais massivo. Urano e Netuno são menores e diferem em composição e estrutura interna de seus irmãos maiores. Algumas das principais propriedades desses quatro planetas estão resumidas na Tabela\(\PageIndex{1}\).
| Planeta |
Distância (AU) |
Período (anos) |
Diâmetro (km) |
Massa (Terra = 1) |
Densidade (g/cm 3) |
Rotação (horas) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Júpiter | 5.2 | 11,9 | 142.800 | 318 | 1.3 | 9,9 |
| Saturno | 9.5 | 29,5 | 120.540 | 95 | 0.7 | 10,7 |
| Urano | 19.2 | 84.1 | 51.200 | 14 | 1.3 | 17.2 |
| Netuno | 30,0 | 164,8 | 49.500 | 17 | 1.6 | 16.1 |
Júpiter, o gigante entre os gigantes, tem massa suficiente para formar 318 Terras. Seu diâmetro é cerca de 11 vezes o da Terra (e cerca de um décimo do Sol). A densidade média de Júpiter é de 1,3 g/cm 3, muito menor do que a de qualquer um dos planetas terrestres. (Lembre-se de que a água tem uma densidade de 1 g/cm 3.) O material de Júpiter está espalhado por um volume tão grande que cerca de 1.300 Terras poderiam caber nele.
A massa de Saturno é 95 vezes a da Terra e sua densidade média é de apenas 0,7 g/cm 3, a menor de qualquer planeta. Como isso é menor que a densidade da água, Saturno seria leve o suficiente para flutuar.
Urano e Netuno têm, cada um, uma massa cerca de 15 vezes a da Terra e, portanto, têm apenas 5% da massa de Júpiter. Suas densidades de 1,3 g/cm 3 e 1,6 g/cm 3, respectivamente, são muito maiores que as de Saturno. Essa é uma evidência que nos diz que sua composição deve diferir fundamentalmente da dos gigantes gasosos. Quando os astrônomos começaram a descobrir outros sistemas planetários (exoplanetas), descobrimos que planetas do tamanho de Urano e Netuno são comuns e que existem ainda mais exoplanetas de tamanho intermediário entre a Terra e esses gigantes de gelo, um tipo de planeta não encontrado em nosso sistema solar.
Aparência e rotação
Quando olhamos para os planetas, vemos apenas suas atmosferas, compostas principalmente de hidrogênio e gás hélio (veja a foto do capítulo). As nuvens mais altas de Júpiter e Saturno, a parte que vemos quando observamos esses planetas de cima, são compostas por cristais de amônia. Em Netuno, as nuvens superiores são feitas de metano. Em Urano, não vemos nenhuma camada de nuvem óbvia, mas apenas uma névoa profunda e sem traços característicos.
Visto através de um telescópio, Júpiter é um planeta colorido e dinâmico. Detalhes distintos em seus padrões de nuvem nos permitem determinar a taxa de rotação de sua atmosfera no nível da nuvem, embora essa rotação da atmosfera possa ter pouco a ver com a rotação do planeta subjacente. Muito mais fundamental é a rotação do manto e do núcleo; estes podem ser determinados por variações periódicas nas ondas de rádio vindas de Júpiter, que são controladas por seu campo magnético. Como o campo magnético (que discutiremos abaixo) se origina nas profundezas do planeta, ele compartilha a rotação do interior. O período de rotação que medimos dessa forma é de 9 horas e 56 minutos, o que dá a Júpiter o “dia” mais curto de qualquer planeta. Da mesma forma, podemos medir que o período de rotação subjacente de Saturno é de 10 horas e 40 minutos. Urano e Netuno têm períodos de rotação ligeiramente mais longos, de cerca de 17 horas, também determinados pela rotação de seus campos magnéticos.
Um breve vídeo feito a partir das fotos do Telescópio Espacial Hubble mostra a rotação de Júpiter com suas muitas características atmosféricas.
Lembre-se de que a Terra e Marte têm estações porque seus eixos de rotação, em vez de “ficar em pé”, estão inclinados em relação ao plano orbital do sistema solar. Isso significa que, à medida que a Terra gira em torno do Sol, às vezes um hemisfério e às vezes o outro “se inclina” para o Sol.
Como são as estações dos planetas gigantes? O eixo de giro de Júpiter é inclinado em apenas 3°, então não há estações do ano para falar. Saturno, no entanto, tem estações, já que seu eixo de rotação está inclinado a 27° em relação à perpendicular à sua órbita. Netuno tem aproximadamente a mesma inclinação de Saturno (29°); portanto, ele experimenta estações semelhantes (só que mais lentamente). As estações mais estranhas de todas estão em Urano, que tem um eixo de rotação inclinado em 98° em relação à direção norte. Praticamente falando, podemos dizer que Urano orbita de lado, e seu sistema de anel e lua segue em frente, orbitando em torno do equador de Urano (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Não sabemos o que fez com que Urano fosse tombado dessa forma, mas uma possibilidade é uma colisão com um grande corpo planetário quando nosso sistema estava se formando pela primeira vez. Seja qual for a causa, essa inclinação incomum cria temporadas dramáticas. Quando a Voyager 2 chegou a Urano, seu pólo sul estava diretamente voltado para o Sol. O hemisfério sul estava passando por um verão ensolarado de 21 anos, enquanto durante esse mesmo período o hemisfério norte mergulhou na escuridão. Para a próxima temporada de 21 anos, o Sol brilha no equador de Urano, e ambos os hemisférios passam por ciclos de luz e escuridão à medida que o planeta gira (Figura\(\PageIndex{6}\)). Depois, há 21 anos de um hemisfério norte iluminado e um hemisfério sul escuro. Depois disso, o padrão de alternância entre dia e noite se repete.
Assim como na Terra, as estações são ainda mais extremas nos pólos. Se você instalasse uma plataforma flutuante no pólo sul de Urano, por exemplo, ela experimentaria 42 anos de luz e 42 anos de escuridão. Qualquer futuro astronauta louco o suficiente para acampar lá poderia passar a maior parte de suas vidas sem nunca ver o Sol.
Composição e estrutura
Embora não possamos ver esses planetas, os astrônomos estão confiantes de que os interiores de Júpiter e Saturno são compostos principalmente de hidrogênio e hélio. É claro que esses gases foram medidos apenas em sua atmosfera, mas os cálculos realizados pela primeira vez há mais de 50 anos mostraram que esses dois gases leves são os únicos materiais possíveis a partir dos quais um planeta com as massas e densidades observadas de Júpiter e Saturno poderia ser construído.
As estruturas internas profundas desses dois planetas são difíceis de prever. Isso ocorre principalmente porque esses planetas são tão grandes que o hidrogênio e o hélio em seus centros ficam tremendamente comprimidos e se comportam de maneiras que esses gases nunca poderão se comportar na Terra. Os melhores modelos teóricos que temos da estrutura de Júpiter predizem uma pressão central maior que 100 milhões de barras e uma densidade central de cerca de 31 g/cm 3. (Em contraste, o núcleo da Terra tem uma pressão central de 4 milhões de barras e uma densidade central de 17 g/cm 3.)
Com as pressões dentro dos planetas gigantes, materiais familiares podem assumir formas estranhas. Alguns milhares de quilômetros abaixo das nuvens visíveis de Júpiter e Saturno, as pressões se tornam tão altas que o hidrogênio passa do estado gasoso para o estado líquido. Ainda mais profundo, esse hidrogênio líquido é ainda mais comprimido e começa a agir como um metal, algo que nunca acontece na Terra. (Em um metal, os elétrons não estão firmemente presos aos seus núcleos parentais, mas podem vagar por aí. É por isso que os metais são tão bons condutores de eletricidade.) Em Júpiter, a maior parte do interior é hidrogênio metálico líquido.
Como Saturno é menos massivo, ele tem apenas um pequeno volume de hidrogênio metálico, mas a maior parte de seu interior é líquida. Urano e Netuno são muito pequenos para atingir pressões internas suficientes para liquefazer o hidrogênio. Voltaremos à discussão sobre as camadas metálicas de hidrogênio quando examinarmos os campos magnéticos dos planetas gigantes.
Cada um desses planetas tem um núcleo composto por materiais mais pesados, conforme demonstrado por análises detalhadas de seus campos gravitacionais. Presumivelmente, esses núcleos são os corpos originais de rocha e gelo que se formaram antes da captura do gás da nebulosa circundante. Os núcleos existem em pressões de dezenas de milhões de barras. Embora os cientistas falem dos núcleos gigantes de planetas compostos de rocha e gelo, podemos ter certeza de que nem a rocha nem o gelo assumem formas familiares em tais pressões e temperaturas. Lembre-se de que o que realmente significa “rocha” é qualquer material composto principalmente de ferro, silício e oxigênio, enquanto o termo “gelo” neste capítulo se refere a materiais compostos principalmente pelos elementos carbono, nitrogênio e oxigênio em combinação com hidrogênio.
A figura\(\PageIndex{3}\) ilustra as prováveis estruturas interiores dos quatro planetas jovianos. Parece que todos os quatro têm núcleos semelhantes de rocha e gelo. Em Júpiter e Saturno, os núcleos constituem apenas alguns por cento da massa total, consistente com a composição inicial das matérias-primas mostrada na Tabela\(11.1.1\). No entanto, a maior parte da massa de Urano e Netuno reside nesses núcleos, demonstrando que os dois planetas externos foram incapazes de atrair grandes quantidades de hidrogênio e hélio quando se formaram pela primeira vez.
Fontes de calor internas
Por causa de seus grandes tamanhos, todos os planetas gigantes foram fortemente aquecidos durante sua formação pelo colapso do material circundante em seus núcleos. Júpiter, sendo o maior, era o mais quente. Parte desse calor primordial ainda pode permanecer dentro de planetas tão grandes. Além disso, é possível que planetas gigantes, em grande parte gasosos, gerem calor após a formação ao se contrair lentamente. (Com uma massa tão grande, até mesmo uma quantidade minúscula de encolhimento pode gerar um calor significativo.) O efeito dessas fontes internas de energia é elevar as temperaturas nos interiores e nas atmosferas dos planetas mais do que esperaríamos apenas do efeito de aquecimento do Sol.
Júpiter tem a maior fonte de energia interna, totalizando 4 × 10 17 watts; ou seja, é aquecido por dentro com energia equivalente a 4 milhões de bilhões de lâmpadas de 100 watts. Essa energia é quase a mesma que a energia solar total absorvida por Júpiter. A atmosfera de Júpiter é, portanto, uma espécie de cruzamento entre uma atmosfera planetária normal (como a da Terra), que obtém a maior parte de sua energia do Sol, e a atmosfera de uma estrela, que é totalmente aquecida por uma fonte de energia interna. A maior parte da energia interna de Júpiter é o calor primordial, que sobrou da formação do planeta há 4,5 bilhões de anos.
Saturno tem uma fonte de energia interna com cerca da metade do tamanho de Júpiter, o que significa (já que sua massa é apenas cerca de um quarto maior) que está produzindo duas vezes mais energia por quilograma de material do que Júpiter. Como se espera que Saturno tenha muito menos calor primordial, deve haver outra fonte em funcionamento gerando a maior parte desses 2 × 10 17 watts de potência. Essa fonte é a separação do hélio do hidrogênio no interior de Saturno. No manto de hidrogênio líquido, o hélio mais pesado forma gotículas que afundam em direção ao núcleo, liberando energia gravitacional. Na verdade, Saturno ainda está se diferenciando, permitindo que materiais mais leves subam e materiais mais pesados caiam.
Urano e Netuno são diferentes. Netuno tem uma pequena fonte de energia interna, enquanto Urano não emite uma quantidade mensurável de calor interno. Como resultado, esses dois planetas têm quase a mesma temperatura atmosférica, apesar da maior distância de Netuno do Sol. Ninguém sabe por que esses dois planetas diferem em seu calor interno, mas tudo isso mostra como a natureza pode planejar tornar cada mundo um pouco diferente de seus vizinhos.
Campos magnéticos
Cada um dos planetas gigantes tem um forte campo magnético, gerado por correntes elétricas em seu interior girando rapidamente. Associadas aos campos magnéticos estão as magnetosferas dos planetas, que são regiões ao redor do planeta dentro das quais o próprio campo magnético do planeta domina o campo magnético interplanetário geral. As magnetosferas desses planetas são suas maiores características, estendendo-se por milhões de quilômetros no espaço.
No final da década de 1950, os astrônomos descobriram que Júpiter era uma fonte de ondas de rádio que se tornava mais intensa em comprimentos de onda mais longos do que em comprimentos de onda mais curtos — exatamente o inverso do que se espera da radiação térmica (radiação causada pelas vibrações normais das partículas dentro de toda a matéria). Esse comportamento é típico, no entanto, da radiação emitida quando elétrons de alta velocidade são acelerados por um campo magnético. Chamamos isso de radiação síncrotron porque foi observada pela primeira vez na Terra em aceleradores de partículas, chamados síncrotrons. Essa foi nossa primeira dica de que Júpiter deve ter um campo magnético forte.
Observações posteriores mostraram que as ondas de rádio vêm de uma região ao redor de Júpiter com um diâmetro várias vezes maior do que o do próprio planeta (Figura\(\PageIndex{4}\)). As evidências sugeriram que um grande número de partículas atômicas carregadas deve estar circulando ao redor de Júpiter, espiralando em torno das linhas de força de um campo magnético associado ao planeta. Isso é exatamente o que observamos acontecendo, mas em menor escala, no cinturão de Van Allen ao redor da Terra. Os campos magnéticos de Saturno, Urano e Netuno, descobertos pela espaçonave que primeiro passou perto desses planetas, funcionam de forma semelhante, mas não são tão fortes.
Saiba mais sobre a magnetosfera de Júpiter e por que continuamos interessados nela neste breve vídeo da NASA.
Dentro de cada magnetosfera, partículas carregadas giram em espiral no campo magnético; como resultado, elas podem ser aceleradas para altas energias. Essas partículas carregadas podem vir do Sol ou da vizinhança do próprio planeta. No caso de Júpiter, Io, uma de suas luas, acaba tendo erupções vulcânicas que lançam partículas carregadas para o espaço e direto para a magnetosfera joviana.
O eixo do campo magnético de Júpiter (a linha que liga o pólo norte magnético ao pólo sul magnético) não está alinhado exatamente com o eixo de rotação do planeta; ao contrário, é inclinado em cerca de 10°. Urano e Netuno têm inclinações magnéticas ainda maiores, de 60° e 55°, respectivamente. O campo de Saturno, por outro lado, está perfeitamente alinhado com seu eixo de rotação. Por que planetas diferentes têm inclinações magnéticas tão diferentes não é bem compreendido.
Os processos físicos ao redor dos planetas jovianos acabam sendo versões mais brandas do que os astrônomos encontram em muitos objetos distantes, desde os restos de estrelas mortas até as intrigantes potências distantes que chamamos de quasares. Uma razão para estudar as magnetosferas dos planetas gigantes e da Terra é que elas fornecem análogos próximos e acessíveis de processos cósmicos mais energéticos e desafiadores.
Conceitos principais e resumo
Júpiter é 318 vezes mais massivo que a Terra. Saturno tem cerca de 25% da massa de Júpiter, e Urano e Netuno têm apenas 5% da massa. Todos os quatro têm atmosferas profundas e nuvens opacas, e todos giram rapidamente com períodos de 10 a 17 horas. Júpiter e Saturno têm extensos mantos de hidrogênio líquido. Urano e Netuno estão esgotados em hidrogênio e hélio em relação a Júpiter e Saturno (e ao Sol). Cada planeta gigante tem um núcleo de “gelo” e “rocha” de cerca de 10 massas terrestres. Júpiter, Saturno e Netuno têm grandes fontes internas de calor, obtendo tanta (ou mais) energia de seus interiores quanto pela radiação do Sol. Urano não tem calor interno mensurável. Júpiter tem o campo magnético mais forte e a maior magnetosfera de qualquer planeta, descoberto pela primeira vez por radioastrônomos a partir de observações de radiação síncrotron.
Glossário
- radiação síncrotron
- a radiação emitida por partículas carregadas sendo acelerada em campos magnéticos e se movendo a velocidades próximas à da luz