13A Terra, um planeta do Sistema Solar

Três sondas robóticas foram mandadas para o espaço. Uma de cada vez, elas mandam para casa uma imagem, como um cartão-postal. A primeira vem de Vênus: uma bola pálida envolta em nuvens espessas, onde faz calor suficiente para derreter chumbo e o ar pressiona o chão com um peso esmagador. A segunda vem de Marte: um deserto vermelho, frio e poeirento, embaixo de um céu ralo. A terceira sonda virou a sua câmera de volta para casa: uma bola azul e branca, com oceanos, nuvens e gelo. Três planetas, vizinhos em volta do mesmo Sol. Por que só um deles é azul?

O que você já sabe

Os livros de física mostraram que o Sol é uma estrela, uma bola enorme de gás quente que brilha sozinha, e que um planeta é um corpo grande e redondo que gira em volta de uma estrela e não brilha sozinho: nós o vemos porque ele reflete a luz da sua estrela. O Sol e tudo o que gira em volta dele formam o Sistema Solar. Cada planeta viaja em volta do Sol ao longo de um caminho chamado a sua órbita, e gira sobre si mesmo em torno de um eixo. O ar à nossa volta pressiona tudo o que toca: é a pressão do ar. A densidade de um material diz quanto pesa um certo volume dele: um centímetro cúbico de água pesa 1 grama, então a sua densidade é de 1 grama por centímetro cúbico; um material mais denso que a água afunda nela, e um material menos denso flutua. Por fim, cerca de sete décimos da superfície da Terra são cobertos pelo oceano (Capítulo 3).

13.1 Oito planetas em volta do Sol

Oito planetas viajam em volta do Sol. Em ordem, do mais próximo ao mais distante, eles são Mercúrio, Vênus, a Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. Uma frase pode ajudar a lembrar a ordem: Minha Vó Tem Muitas Joias, Só Usa No Natal (Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Netuno).

O desenho abaixo mostra os oito planetas lado a lado, desenhados na mesma escala: se um planeta é duas vezes mais largo que outro, o seu círculo também é duas vezes mais largo.

Os quatro planetas mais próximos do Sol são pequenos. Os quatro seguintes são gigantes: Júpiter é cerca de 11 vezes mais largo que a Terra. E o Sol? Desenhado na mesma escala que os planetas acima, ele seria um disco de cerca de 40 centímetros de largura — mais largo que esta página.

O tamanho não é a única diferença. A tabela abaixo dá, para cada planeta, o seu diâmetro, a sua densidade (em gramas por centímetro cúbico) e a sua distância do Sol.

As densidades dividem os planetas em duas famílias, sem nada no meio: os quatro primeiros são densos, com mais de 3.9 gramas por centímetro cúbico, como a rocha e o metal; os quatro últimos são leves, com menos de 1.7 grama por centímetro cúbico.

Definição 13.1 (Planetas rochosos e planetas gigantes)

Um planeta rochoso é um planeta pequeno e denso, feito de rocha e de metal, com uma superfície sólida onde uma sonda pode pousar: Mercúrio, Vênus, a Terra e Marte. Um planeta gigante é um planeta muito grande e de baixa densidade, feito sobretudo de gases e de líquidos, sem uma superfície sólida onde pousar: Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.

A fotografia de Júpiter mostra faixas de nuvens, claras e escuras, e um oval vermelho: a Grande Mancha Vermelha, uma tempestade gigante maior que a Terra inteira, que sopra há centenas de anos. Embaixo das nuvens não há chão: só gases, sobretudo hidrogênio e hélio, que ficam cada vez mais densos quanto mais fundo se vai.

Observação 13.2 (Um planeta mais leve que a água)

Saturno é o único planeta cuja densidade é menor que a da água: cerca de 0.7 grama por centímetro cúbico. Se existisse uma banheira grande o bastante para contê-lo, Saturno flutuaria!

13.2 A que distância ficam os planetas uns dos outros?

Os planetas não são só muito diferentes no tamanho; eles também ficam muito longe uns dos outros. A Terra fica a cerca de 150 milhões de quilômetros do Sol. Netuno, o planeta mais distante, fica 30 vezes mais longe: cerca de 4500 milhões de quilômetros. O desenho abaixo coloca os oito planetas numa só linha, às suas distâncias do Sol, em escala.

Os quatro planetas rochosos ficam todos perto do Sol; os quatro planetas gigantes ficam bem longe, com distâncias enormes entre eles. Só a distância entre Marte e Júpiter, cerca de 550 milhões de quilômetros, é mais que o dobro da distância do Sol até Marte.

É difícil desenhar os tamanhos e as distâncias na mesma escala: os planetas viram pontinhos invisíveis. Um modelo em escala ajuda a imaginar as duas coisas ao mesmo tempo.

Método 13.3 (Construir um modelo em escala do Sistema Solar)

1. Escolha o tamanho da Terra no modelo, por exemplo 1 cm.
2. Descubra quantos quilômetros reais 1 cm do modelo representa: divida o diâmetro real da Terra (12 756 km) pelo seu tamanho no modelo.
3. Divida cada tamanho real e cada distância real por esse número. Depois mude as unidades para algo fácil de imaginar (centímetros, metros, quilômetros).

Exemplo 13.4 (Uma bolinha de gude no lugar da Terra)

Se a Terra é uma bolinha de gude de 1 cm de largura, 1 cm representa 12 756 km. O Sol, com 1 391 400 km de largura, vira uma bola de $1\,391\,400 \div 12\,756 \approx 109$ cm de largura: uma bola mais alta que uma criança pequena. A Terra fica a 150 milhões de km do Sol: $149\,600\,000 \div 12\,756 \approx 11\,700$ cm, ou seja, cerca de 117 metros, o comprimento de um campo de futebol.

Nesse modelo, o Sistema Solar inteiro, até Netuno, se espalha por um círculo de 7 km de largura, com uma bola grande no meio e oito bolinhas e bolas, a maior do tamanho de uma toranja, espalhadas por ele. O Sistema Solar é feito sobretudo de espaço vazio.

13.3 Vênus, a Terra e Marte

Vênus, a Terra e Marte são vizinhos, e os três são planetas rochosos. Vênus tem quase o mesmo tamanho que a Terra: o seu diâmetro é 95 % do da Terra. Marte é menor: o seu diâmetro é cerca da metade do da Terra. Mesmo assim, esses três planetas não poderiam ser mais diferentes.

Vênus. Vênus é envolto numa camada espessa de ar, feito sobretudo de gás carbônico, com nuvens densas de ácido sulfúrico, um ácido que queima. O seu ar é tão espesso que pressiona o chão com uma força 92 vezes maior que a do ar da Terra sobre o nosso. Na superfície, a temperatura é de cerca de 464 $^\circ$C: calor suficiente para derreter chumbo. Nenhuma água consegue ficar líquida ali.

Marte. Marte é um deserto frio, seco e poeirento. O seu ar também é feito sobretudo de gás carbônico, mas é muito ralo: ele pressiona o chão cerca de cem vezes menos que o ar da Terra. A temperatura média é de $-65$ $^\circ$C. Hoje há água ali, mas congelada: como gelo nas calotas polares e embaixo do chão perto dos polos. Mas Marte nem sempre foi assim: há bilhões de anos, rios corriam em Marte, lagos se formavam e inundações o atravessavam.

A Terra. Entre os dois, a Terra tem um ar que pressiona o chão com cerca de 1 bar (a unidade usada para comparar a pressão do ar nos planetas), uma temperatura média de 15 $^\circ$C e oceanos de água líquida.

Calor e frio. Perto do Sol, um planeta recebe muito da sua luz e do seu calor; longe dele, muito pouco. Então, quanto mais longe do Sol fica um planeta, mais frio ele deveria ser. O gráfico abaixo mostra que isso é verdade da Terra para fora: os planetas gigantes, lá longe, são mundos gelados. Mas olhe para Vênus: ele fica quase duas vezes mais longe do Sol que Mercúrio, e mesmo assim é mais quente! O seu ar espesso de gás carbônico prende o calor do Sol como um cobertor pesado e não o deixa escapar. Mercúrio, quase sem ar, não consegue guardar o seu calor.

13.4 O que torna a vida possível na Terra

A Terra é o único planeta onde sabemos que existe vida. Os seres vivos precisam de várias condições ao mesmo tempo, e a Terra tem todas elas.

• Água líquida. Todos os seres vivos precisam de água líquida: a Terra tem oceanos, rios e lagos.
• Temperaturas amenas. Na superfície da Terra, a água congela a 0 $^\circ$C e ferve a 100 $^\circ$C (física). Com uma média de 15 $^\circ$C, as temperaturas da Terra ficam quase sempre entre as duas, então a sua água continua líquida.
• A distância certa do Sol. Mais perto do Sol, como Vênus, um planeta corre o risco de ficar quente demais; mais longe, como Marte, frio demais. A Terra fica na distância certa para ter água líquida.
• Uma atmosfera. A camada de ar em volta da Terra mantém a sua superfície aquecida à noite, dá aos seres vivos os gases de que eles precisam, e pressiona os oceanos o bastante para que a sua água continue líquida. Em Marte, o ar é tão ralo que a água líquida não consegue durar muito na superfície: ela congela ou vira vapor.

Observação 13.5 (Houve vida em Marte?)

Como Marte já teve rios e lagos, os cientistas se perguntam se seres vivos minúsculos poderiam ter vivido ali, há muito tempo, quando Marte era mais quente e úmido. Os cientistas não esperam encontrar seres vivos em Marte hoje; com jipes robóticos, eles procuram nas suas rochas sinais de uma vida que existiu há muito tempo.

13.5 A Terra vista do espaço

Durante milhares de anos, as pessoas só podiam imaginar como era o seu planeta visto de fora. Em 24 de dezembro de 1968, os astronautas da Apollo 8, em órbita em volta da Lua, viram a Terra nascer acima do horizonte cinzento da Lua, e um deles, Bill Anders, tirou a fotografia abaixo.

Vista do espaço, a Terra é sobretudo azul: o oceano cobre cerca de sete décimos da sua superfície. Nuvens brancas de gotículas de água giram acima dele, e gelo branco cobre os polos. Os continentes são marrons onde são secos, e verdes onde as plantas crescem. O próprio ar não pode ser visto, mas as nuvens que flutuam nele mostram que ele está ali. De todos os planetas do Sistema Solar, só a Terra mostra essas cores juntas: água líquida, nuvens e plantas vivas.

História — O pálido ponto azul

Em 14 de fevereiro de 1990, a sonda espacial Voyager 1 estava a cerca de 6 bilhões de quilômetros do Sol, mais longe que Netuno. Antes de deixar o Sistema Solar para trás, ela virou a sua câmera de volta e tirou uma foto da Terra. Na fotografia, o nosso planeta é um único pontinho brilhante, menor que um grão de poeira, preso num raio de luz do Sol. O astrônomo Carl Sagan escreveu sobre ela: “Olhe de novo para esse ponto. É aqui. É a nossa casa. Somos nós.”

13.6 Exercícios

Exercício 13.1 ★

Liste os oito planetas do Sistema Solar em ordem, do mais próximo do Sol ao mais distante. Sublinhe os planetas rochosos.

Solução

Solução de Exercício 13.1.

Mercúrio, Vênus, a Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Netuno. Os planetas rochosos são os quatro primeiros.

Exercício 13.2 ★

Copie e complete: “Um planeta rochoso é pequeno e …, com uma superfície … Um planeta gigante é muito grande, de baixa …, feito sobretudo de … e de …”

Solução

Solução de Exercício 13.2.

“Um planeta rochoso é pequeno e denso, com uma superfície sólida. Um planeta gigante é muito grande, de baixa densidade, feito sobretudo de gases e de líquidos.”

Exercício 13.3 ★

Usando a tabela deste capítulo, qual planeta tem o diâmetro mais próximo do da Terra? Qual é o maior planeta? Qual é o menor?

Solução

Solução de Exercício 13.3.

Vênus (12 104 km, contra 12 756 km da Terra). O maior é Júpiter (142 984 km); o menor é Mercúrio (4 879 km).

Exercício 13.4 ★

Verdadeiro ou falso? Corrija as frases falsas. (a) Vênus é coberto de oceanos. (b) Marte é mais frio que a Terra. (c) Os planetas gigantes são os quatro planetas mais próximos do Sol. (d) Saturno é menos denso que a água.

Solução

Solução de Exercício 13.4.

(a) Falso: Vênus não tem água líquida; ele é quente demais. (b) Verdadeiro ($-65$ $^\circ$C em média, contra 15 $^\circ$C). (c) Falso: os quatro planetas mais próximos do Sol são os planetas rochosos; os planetas gigantes são os quatro mais distantes. (d) Verdadeiro: cerca de 0.7 grama por centímetro cúbico.

Exercício 13.5 ★★

O diâmetro de Mercúrio é de 4 879 km, e o diâmetro da Terra, de 12 756 km. Calcule o diâmetro de Mercúrio como porcentagem do da Terra, arredondado para o número inteiro mais próximo.

Solução

Solução de Exercício 13.5.

$4879 \div 12756 \approx 0.382$, ou seja, 38 %: Mercúrio tem um pouco mais de um terço da largura da Terra.

Exercício 13.6 ★★

Quantas Terras, lado a lado, caberiam no diâmetro de Saturno (120 536 km)? Arredonde para o número inteiro mais próximo. Saturno é um planeta rochoso ou um planeta gigante?

Solução

Solução de Exercício 13.6.

$120536 \div 12756 \approx 9.4$: cerca de 9 Terras. Saturno é um planeta gigante.

Exercício 13.7 ★★

Os astrônomos encontraram planetas em volta de outras estrelas. O planeta A tem uma densidade de 1.1 grama por centímetro cúbico e é 9 vezes mais largo que a Terra. O planeta B tem uma densidade de 5.0 gramas por centímetro cúbico e é um pouco menor que a Terra. Qual deles é um planeta rochoso, e qual é um planeta gigante? Explique.

Solução

Solução de Exercício 13.7.

O planeta A é um planeta gigante: ele é muito grande e a sua densidade, 1.1 grama por centímetro cúbico, é baixa, como a dos planetas gigantes do Sistema Solar (entre 0.7 e 1.7). O planeta B é um planeta rochoso: ele é pequeno e a sua densidade, 5.0, é alta, como a dos planetas rochosos (entre 3.9 e 5.5).

Exercício 13.8 ★★

Usando o gráfico das temperaturas dos planetas: (a) quantos graus Vênus é mais quente que a Terra? (b) Quantos graus Marte é mais frio que a Terra?

Solução

Solução de Exercício 13.8.

(a) $464 - 15 = 449$ graus mais quente. (b) $15 - (-65) = 80$ graus mais frio.

Exercício 13.9 ★★

Mercúrio é o planeta mais próximo do Sol, mas Vênus é o mais quente. Explique por quê.

Solução

Solução de Exercício 13.9.

Vênus tem uma atmosfera muito espessa de gás carbônico, que prende o calor do Sol como um cobertor pesado e não o deixa escapar. Mercúrio, mais perto do Sol, quase não tem ar, então não consegue guardar o seu calor.

Exercício 13.10 ★★

A Terra fica a 150 milhões de quilômetros do Sol, e Marte a 228 milhões de quilômetros. Quantos milhões de quilômetros Marte fica mais longe do Sol? Em que porcentagem a distância de Marte é maior que a da Terra (arredonde para o número inteiro mais próximo)?

Solução

Solução de Exercício 13.10.

$228 - 150 = 78$ milhões de quilômetros mais longe. $78 \div 150 = 0.52$: a distância de Marte é 52 % maior que a da Terra.

Exercício 13.11 ★★★

Um amigo diz: “Marte sempre foi um deserto seco; nunca houve água ali.” Usando este capítulo, responda a ele: o que Marte tinha há bilhões de anos, onde está a sua água hoje, e por que a água líquida não consegue durar na sua superfície agora?

Solução

Solução de Exercício 13.11.

Há bilhões de anos, Marte tinha rios, lagos e inundações: ele era mais quente e mais úmido. Hoje a sua água está congelada, no gelo das calotas polares e embaixo do chão perto dos polos. A água líquida não consegue durar na sua superfície agora porque Marte é muito frio ($-65$ $^\circ$C em média) e porque o seu ar é tão ralo que a água logo congela ou vira vapor.

Exercício 13.12 ★★★

Vênus às vezes é chamado de gêmeo da Terra. O seu diâmetro é 95 % do da Terra, e a atração da gravidade na sua superfície vale 8.9 numa escala em que a da Terra vale 9.8. (a) Calcule a atração da gravidade de Vênus como porcentagem da da Terra, arredondada para o número inteiro mais próximo. (b) Dê duas maneiras pelas quais Vênus parece um gêmeo da Terra, e duas maneiras pelas quais não parece.

Solução

Solução de Exercício 13.12.

(a) $8.9 \div 9.8 \approx 0.908$, ou seja, 91 %. (b) Como um gêmeo: quase o mesmo tamanho (95 % do diâmetro da Terra), quase a mesma atração da gravidade, e ele também é um planeta rochoso. Não como um gêmeo: ele é muito mais quente (464 $^\circ$C contra 15 $^\circ$C), o seu ar é muito mais espesso e feito de gás carbônico, com nuvens de ácido, e ele não tem água líquida.

13.7 Problema: Cartões-postais de três planetas

Problema 13.1

Problema de fim de semana — três cartões-postais do espaço, e a força com que o ar de Vênus pressiona o seu chão

Três sondas robóticas mandam cada uma um cartão-postal para casa, com alguns números escritos no verso.

De Vênus	Da Terra	De Marte
Distância do Sol: 108 milhões de km.	Distância do Sol: 150 milhões de km.	Distância do Sol: 228 milhões de km.
Diâmetro: 12 104 km.	Diâmetro: 12 756 km.	Diâmetro: 6 792 km.
Densidade: 5.2 g/cm$^3$.	Densidade: 5.5 g/cm$^3$.	Densidade: 3.9 g/cm$^3$.
Temperatura média: 464 $^\circ$C.	Temperatura média: 15 $^\circ$C.	Temperatura média: $-65$ $^\circ$C.
O ar pressiona o chão com 92 bar. Nuvens espessas de ácido.	O ar pressiona o chão com 1 bar. Oceanos e nuvens.	O ar pressiona o chão com 0.01 bar. Gelo nos polos.

Parte I — Os planetas comparados.

1. Coloque os três planetas em ordem de distância do Sol.
2. Quantos milhões de quilômetros Vênus fica mais perto do Sol que a Terra? Quantos milhões de quilômetros Marte fica mais longe?
3. Calcule o diâmetro de Marte como porcentagem do da Terra, arredondado para o número inteiro mais próximo. Marte tem cerca de um quarto, da metade ou de três quartos da largura da Terra?
4. Os três planetas são planetas rochosos ou planetas gigantes? Que números dos cartões-postais mostram isso?

Parte II — O ar.

5. Em que planeta o ar é mais espesso? Em qual ele é mais ralo?
6. Quantas vezes menos o ar de Marte pressiona o seu chão do que o ar da Terra pressiona o nosso?
7. Vênus fica mais perto do Sol que a Terra, mas isso, sozinho, não explica uma temperatura de 464 $^\circ$C. O que o ar de Vênus faz com o calor do Sol?
8. Quantas vezes mais forte do que na Terra o ar pressiona o chão de Vênus? Por que uma sonda que pousa em Vênus precisa ter paredes muito resistentes?

Parte III — A água e a vida.

9. Na superfície da Terra, a água congela a 0 $^\circ$C e ferve a 100 $^\circ$C. Usando as temperaturas médias, explique por que a água é líquida na Terra.
10. O que aconteceria com um copo de água colocado no chão de Vênus? E no chão de Marte?
11. Marte tinha rios e lagos há bilhões de anos. O que isso nos diz sobre o clima de Marte há muito tempo, comparado com o de hoje?
12. Escreva o verso do cartão-postal da Terra: em algumas frases, dê quatro motivos pelos quais a vida é possível na Terra.

Solução

Solução de Problema 13.1.

1. Vênus (108 milhões de km), a Terra (150), Marte (228).

2. $150 - 108 = 42$: Vênus fica 42 milhões de quilômetros mais perto. $228 - 150 = 78$: Marte fica 78 milhões de quilômetros mais longe.

3. $6792 \div 12756 \approx 0.532$, ou seja, 53 %: Marte tem cerca da metade da largura da Terra.

4. Os três são planetas rochosos: as suas densidades (5.2, 5.5 e 3.9 gramas por centímetro cúbico) são altas, e os seus diâmetros são pequenos comparados com os dos planetas gigantes.

5. O ar mais espesso fica em Vênus (92 bar); o mais ralo, em Marte (0.01 bar).

6. $1 \div 0.01 = 100$: o ar de Marte pressiona cem vezes menos que o ar da Terra.

7. O seu ar espesso de gás carbônico prende o calor do Sol e não o deixa escapar, como um cobertor pesado.

8. $92 \div 1 = 92$: no chão de Vênus, o ar pressiona 92 vezes mais forte que no chão da Terra. Uma sonda precisa ter paredes muito resistentes para não ser esmagada (e também precisa resistir ao calor e às nuvens de ácido).

9. A temperatura média da Terra, 15 $^\circ$C, fica entre 0 $^\circ$C e 100 $^\circ$C: a água não está nem congelada nem fervendo, então ela continua líquida.

10. Em Vênus, a 464 $^\circ$C, muito acima de 100 $^\circ$C, a água ferveria na mesma hora e viraria vapor. Em Marte, a $-65$ $^\circ$C, muito abaixo de 0 $^\circ$C, ela congelaria (e viraria vapor aos poucos, porque o ar é muito ralo).

11. Há muito tempo, Marte era mais quente e mais úmido que hoje: a água líquida podia correr na sua superfície. O seu clima mudou muito: hoje ele é um deserto frio e seco.

12. Por exemplo: “Queridas sondas, aqui na Terra temos água líquida, em oceanos, rios e lagos. As nossas temperaturas são amenas, 15 $^\circ$C em média, entre o congelamento e a fervura da água. Estamos na distância certa do Sol, nem perto demais nem longe demais. E a nossa atmosfera nos mantém aquecidos, dá aos seres vivos os gases de que eles precisam e deixa a água continuar líquida. É por isso que a vida é possível aqui.”