14.5: Evolução Planetária
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva a atividade geológica durante a evolução dos planetas, particularmente nos planetas terrestres
- Descreva os fatores que afetam as diferenças de elevação nos planetas terrestres
- Explique como as diferenças na atmosfera em Vênus, Terra e Marte evoluíram a partir de pontos de partida semelhantes no início da história do sistema solar
Enquanto aguardamos mais descobertas e uma melhor compreensão de outros sistemas planetários, vejamos novamente a história inicial de nosso próprio sistema solar, após a dissipação de nosso disco de poeira. A era dos impactos gigantes provavelmente se limitou aos primeiros 100 milhões de anos da história do sistema solar, terminando há cerca de 4,4 bilhões de anos. Pouco tempo depois, os planetas esfriaram e começaram a assumir seus aspectos atuais. Até cerca de 4 bilhões de anos atrás, eles continuaram a adquirir materiais voláteis, e suas superfícies estavam repletas de crateras devido aos detritos restantes que os atingiram. No entanto, à medida que as influências externas diminuíram, todos os planetas terrestres, bem como as luas dos planetas externos, começaram a seguir seus próprios cursos evolutivos. A natureza dessa evolução dependia da composição, massa e distância de cada objeto em relação ao Sol.
Atividade geológica
Vimos uma grande variedade no nível de atividade geológica nos planetas terrestres e nas luas geladas. As fontes internas dessa atividade (em oposição à surra de cima) requerem energia, seja na forma de calor primordial que sobra da formação de um planeta ou da decomposição de elementos radioativos no interior. Quanto maior o planeta ou a lua, maior a probabilidade de ele reter seu calor interno e mais lentamente esfriar — esse é o “efeito da batata assada” mencionado em Outros mundos: uma introdução ao sistema solar. Portanto, é mais provável que vejamos evidências de atividade geológica contínua na superfície de mundos maiores (sólidos) (Figura\(\PageIndex{1}\)). A lua de Júpiter, Io, é uma exceção interessante a essa regra; vimos que ela tem uma fonte incomum de calor proveniente da flexão gravitacional de seu interior pela atração das marés de Júpiter. Europa provavelmente também é aquecida pelas marés jovianas. Saturno pode estar tendo um efeito semelhante em sua lua Enceladus.
A Lua, o menor dos mundos terrestres, estava internamente ativa até cerca de 3,3 bilhões de anos atrás, quando seu maior vulcanismo cessou. Desde aquela época, seu manto esfriou e se tornou sólido, e hoje até mesmo a atividade sísmica interna diminuiu para quase zero. A Lua é um mundo geologicamente morto. Embora saibamos muito 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 e tem sido muito mais ativo do que a Lua. A crosta do hemisfério sul se formou há 4 bilhões de anos, e as planícies vulcânicas do hemisfério norte parecem ser contemporâneas da maria lunar. No entanto, a protuberância de Tharsis se formou um pouco mais tarde, e a atividade nos grandes vulcões Tharsis aparentemente continuou até a era atual.
A Terra e Vênus são os maiores e mais ativos planetas terrestres. Nosso planeta experimenta placas tectônicas globais impulsionadas pela convecção em seu manto. Como resultado, nossa superfície é continuamente reformulada e a maior parte do material da superfície da Terra tem menos de 200 milhões de anos. Vênus tem geralmente níveis semelhantes de atividade vulcânica, mas ao contrário da Terra, não experimentou placas tectônicas. A maior parte de sua superfície parece não ter mais de 500 milhões de anos. Vimos que a superfície do nosso planeta irmão está sendo modificada por uma espécie de “bolha tectônica” — onde material quente vindo de baixo enruga e irrompe pela superfície, levando a coroas, vulcões panquecas e outras características semelhantes. Uma melhor compreensão das diferenças geológicas entre Vênus e a Terra é uma alta prioridade para os geólogos planetários.
A evolução geológica das luas geladas e de Plutão tem sido um pouco diferente da dos planetas terrestres. As fontes de energia das marés estão ativas e os materiais com os quais a natureza precisa trabalhar não são os mesmos. Nesses mundos externos, vemos evidências de vulcanismo de baixa temperatura, com a lava de silicato dos planetas internos sendo complementada por compostos de enxofre em Io e substituída por água e outros gelos em Plutão e outras luas do planeta externo.
Diferenças de elevação
Vejamos alguns exemplos específicos de como os planetas diferem. As montanhas nos planetas terrestres devem suas origens a diferentes processos. Na Lua e em Mercúrio, as principais montanhas são ejetos lançados pelos grandes impactos de formação de bacias que ocorreram bilhões de anos atrás. A maioria das grandes montanhas em Marte são vulcões, produzidos por repetidas erupções de lava das mesmas aberturas. Existem vulcões semelhantes (mas menores) na Terra e em Vênus. No entanto, as montanhas mais altas da Terra e de Vênus são o resultado da compressão e elevação da superfície. Na Terra, essa compressão crustal resulta de colisões de uma placa continental com outra.
É interessante comparar as alturas máximas dos vulcões na Terra, Vênus e Marte (Figura\(\PageIndex{2}\)). Em Vênus e na Terra, as diferenças máximas de elevação entre essas montanhas e seus arredores são de cerca de 10 quilômetros. O Olympus Mons, em contraste, se eleva mais de 20 quilômetros acima de seus arredores e quase 30 quilômetros acima das áreas de menor elevação de Marte.
Uma razão pela qual o Olympus Mons (Figura\(\PageIndex{3}\)) é muito maior do que suas contrapartes terrestres é que as placas crustais na Terra nunca param de se mover por tempo suficiente para permitir que um vulcão realmente grande cresça. Em vez disso, a placa móvel cria uma longa fileira de vulcões como as ilhas havaianas. Em Marte (e talvez em Vênus), a crosta permanece estacionária em relação ao ponto quente subjacente e, portanto, um único vulcão pode continuar a crescer por centenas de milhões de anos.
Uma segunda diferença está relacionada à força da gravidade nos três planetas. A gravidade da superfície em Vênus é quase a mesma da Terra, mas em Marte é apenas cerca de um terço da gravidade. Para que uma montanha sobreviva, sua força interna deve ser grande o suficiente para suportar seu peso contra a força da gravidade. As rochas vulcânicas têm pontos fortes conhecidos e podemos calcular que, na Terra, 10 quilômetros é quase o limite. Por exemplo, quando uma nova lava é adicionada ao topo de Mauna Loa, no Havaí, a montanha cai para baixo sob seu próprio peso. O mesmo limite de altura se aplica a Vênus, onde a força da gravidade é a mesma da Terra. Em Marte, no entanto, com sua menor gravidade superficial, diferenças de elevação muito maiores podem ser suportadas, o que ajuda a explicar por que Olympus Mons é mais do que o dobro da altura das montanhas mais altas de Vênus ou da Terra.
A propósito, o mesmo tipo de cálculo que determina a altura limite de uma montanha pode ser usado para determinar o maior corpo que pode ter uma forma irregular. A gravidade, se possível, coloca todos os objetos na forma mais “eficiente” (onde todos os pontos externos estão igualmente distantes do centro). Todos os planetas e luas maiores são quase esféricos, devido à força de sua própria gravidade que os puxa para uma esfera. Mas quanto menor o objeto, maior o afastamento da forma esférica que a força de suas rochas pode suportar. Para corpos de silicato, o diâmetro limite é de cerca de 400 quilômetros; objetos maiores sempre serão aproximadamente esféricos, enquanto os menores podem ter quase qualquer formato (como vemos nas fotografias de asteróides, como a Figura\(\PageIndex{4}\)).
Atmosferas
As atmosferas dos planetas foram formadas por uma combinação de gás escapando de seus interiores e os impactos de detritos ricos em voláteis do sistema solar externo. Cada um dos planetas terrestres deve ter originalmente atmosferas semelhantes, mas Mercúrio era muito pequeno e muito quente para reter seu gás. A Lua provavelmente nunca teve uma atmosfera, pois o material que a compõe estava esgotado em materiais voláteis.
O gás volátil predominante nos planetas terrestres agora é o dióxido de carbono (\(\ce{CO2}\)), mas inicialmente provavelmente também havia gases contendo hidrogênio. Nesse ambiente mais reduzido quimicamente (dominado pelo hidrogênio), deveria ter havido grandes quantidades de monóxido de carbono (\(\ce{CO}\)) e traços de amônia (\(\ce{NH3}\)) e metano (\(\ce{CH4}\)). No entanto, a luz ultravioleta do Sol separou as moléculas de gases redutores no sistema solar interno. A maioria dos átomos leves de hidrogênio escapou, deixando para trás as atmosferas oxidadas (dominadas pelo oxigênio) que vemos hoje na Terra, Vênus e Marte.
O destino da água era diferente em cada um desses três planetas, dependendo de seu tamanho e distância do Sol. No início de sua história, Marte aparentemente tinha uma atmosfera espessa com água líquida abundante, mas não conseguiu reter essas condições. O\(\ce{CO2}\) necessário para um efeito estufa substancial foi perdido, a temperatura caiu e, eventualmente, a água restante congelou. Em Vênus, o processo inverso ocorreu, com um efeito estufa descontrolado levando à perda permanente de água. Somente a Terra conseguiu manter o delicado equilíbrio que permite que a água líquida persista em sua superfície.
Com o fim da água, Vênus e Marte acabaram com uma atmosfera de cerca de 96 por cento de dióxido de carbono e alguns por cento de nitrogênio. Na Terra, a presença primeiro de água e depois de vida levou a um tipo de atmosfera muito diferente. O\(\ce{CO2}\) foi removido e depositado em sedimentos marinhos. A proliferação de formas de vida que poderiam fotossintetizar acabou levando à liberação de mais oxigênio do que as reações químicas naturais podem remover da atmosfera. Como resultado, graças à vida em sua superfície, a Terra se encontra com uma grande deficiência de\(\ce{CO2}\), com o nitrogênio como o gás mais abundante, e a única atmosfera planetária que contém oxigênio livre.
No sistema solar externo, Titã é a única lua com uma atmosfera substancial. Esse objeto deve ter contido voláteis suficientes, como amônia, metano e nitrogênio, para formar uma atmosfera. Assim, hoje a atmosfera de Titã consiste principalmente em nitrogênio. Em comparação com as dos planetas internos, as temperaturas em Titã são muito baixas para que o dióxido de carbono ou a água estejam na forma de vapor. Com esses dois voláteis comuns congelados sólidos, talvez não seja muito surpreendente que o nitrogênio tenha acabado como o principal constituinte atmosférico.
Vemos que a natureza, começando com um conjunto de constituintes químicos, pode criar uma ampla gama de atmosferas finais apropriadas às condições e à história de cada mundo. A atmosfera que temos na Terra é o resultado de muitas eras de evolução e adaptação. E, como vimos, ela pode ser mudada pelas ações das formas de vida que habitam o planeta.
Uma das motivações para a exploração do nosso sistema planetário é a busca pela vida, começando com uma pesquisa de ambientes potencialmente habitáveis. Mercúrio, Vênus e a Lua não são adequados; nem a maioria das luas do sistema solar externo. Os planetas gigantes, que não têm superfícies sólidas, também falham no teste de habitabilidade.
Até o momento, a busca por ambientes habitáveis tem se concentrado na presença de água líquida. A Terra e a Europa têm grandes oceanos, embora o oceano de Europa esteja coberto por uma espessa crosta de gelo. Marte tem uma longa história de água líquida em sua superfície, embora a superfície hoje seja principalmente seca e fria. No entanto, há fortes evidências de água subterrânea em Marte e, até hoje, a água flui brevemente na superfície sob as condições certas. Enceladus pode ter a água líquida mais acessível, que está esguichando para o espaço por meio dos gêiseres observados com nossa espaçonave Cassini. Titã é, em muitos aspectos, o mundo mais interessante que já exploramos. É muito frio para água líquida, mas com sua atmosfera densa e lagos de hidrocarbonetos, pode ser o melhor lugar para procurar “vida como não a conhecemos”.
Agora chegamos ao fim de nosso estudo do sistema planetário. Embora tenhamos aprendido muito sobre os outros planetas durante as últimas décadas de exploração de naves espaciais, muito permanece desconhecido. As descobertas nos últimos anos da atividade geológica em Titã e Encélado foram inesperadas, assim como a complexa superfície de Plutão revelada pela New Horizons. O estudo dos sistemas exoplanetários fornece uma nova perspectiva, nos ensinando que há muito mais variedade entre os sistemas planetários do que os cientistas imaginavam há algumas décadas. A exploração do sistema solar é uma das maiores aventuras humanas e, em muitos aspectos, está apenas começando.
Conceitos principais e resumo
Depois de seu início comum, cada um dos planetas evoluiu em seu próprio caminho. Diferentes resultados possíveis são ilustrados pela comparação dos planetas terrestres (Terra, Vênus, Marte, Mercúrio e Lua). Todos são objetos rochosos e diferenciados. O nível de atividade geológica é proporcional à massa: maior para a Terra e Vênus, menor para Marte e ausente para a Lua e Mercúrio. No entanto, as marés de outro mundo próximo também podem gerar calor para impulsionar a atividade geológica, conforme mostrado por Io, Europa e Enceladus. Plutão também está ativo, para surpresa dos cientistas planetários. Nas superfícies de mundos sólidos, as montanhas podem resultar de impactos, vulcanismo ou elevação. Seja qual for sua origem, montanhas mais altas podem ser sustentadas em planetas menores com menos gravidade superficial. As atmosferas dos planetas terrestres podem ter adquirido materiais voláteis a partir dos impactos dos cometas. A Lua e Mercúrio perderam suas atmosferas; a maioria dos voláteis em Marte está congelada devido à sua maior distância do Sol e sua atmosfera mais fina; e Vênus reteve\(\ce{CO2}\), mas perdeu,\(\ce{H2O}\) quando desenvolveu um enorme efeito estufa. Somente a Terra ainda tem água líquida em sua superfície e, portanto, pode sustentar a vida.