INTRODUÇÃO À ASTRONOMIA PROF. SILVANIO B. DE OLIVEIRA

Apresentação em tema: "INTRODUÇÃO À ASTRONOMIA PROF. SILVANIO B. DE OLIVEIRA"— Transcrição da apresentação:

1 INTRODUÇÃO À ASTRONOMIA PROF. SILVANIO B. DE OLIVEIRA
UESB-DCE-FÍSICA INTRODUÇÃO À ASTRONOMIA PROF. SILVANIO B. DE OLIVEIRA Parte 4

2 NOSSO SISTEMA SOLAR – OS PLANETAS
INTRODUÇÃO Neste capítulo será abordado: . aspectos das órbitas planetárias; . como a radiação do Sol e as propriedades dos planetas determinam as temperaturas da superfície; . como as atmosferas se formam e se modificam durante a vida de um planeta; . aspectos relacionados às propriedades individuais, descobertas e satélites.

3 - O que é um planeta? - Esta pergunta ficou sem resposta até a realização da reunião da União Internacional Astronômica (IAU) realizada em agosto de 2006. Nunca houve uma definição formal do que seria um planeta, tanto que, o Ceres, situado no cinturão de asteróides entre Marte e Júpiter, durante algum tempo era classificado como um planeta. Em 2005, a descoberta de um corpo (inicialmente chamado 2003 UB313) foi anunciada. É ligeiramente maior do que Plutão e está a uma distância de 96.7 UA do Sol (três vezes a distância de Plutão). Uma decisão deveria ser tomada, ele era o 10o planeta do Sistema Solar ou Plutão seria rebaixado.

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5 Plutão tem dimensões muito menor quando comparado a primeira descoberta e possui uma órbita altamente elíptica e inclinada no plano do Sistema Solar. Se a descoberta fosse recente, era improvável que tivesse dado a Plutão, a posição de planeta. Por essas razões, o Planetário Hayden em Nova York, com controvérsia, omitiu Plutão de sua galeria de planeta. A definição dada em agosto de 2006 teve três partes: - O planeta orbita o Sol; (2) - O planeta tem massa suficiente para que a gravidade possa superar a força do corpo e assim tornar-se aproximadamente esférico. Isto é, está em equilíbrio hidrostático. (3) - O planeta domina a sua órbita – isto é, ele é o único corpo do seu tamanho na região do Sistema Solar naquela distância do Sol.

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7 - Plutão, formalmente designado 134340 Plutão,
Segundo maior planeta anão do Sistema Solar; Décimo maior objeto observado diretamente orbitando o Sol. Originalmente classificado como um planeta, Plutão é atualmente o maior membro do cinturão de Kuiper. O terceiro item é que rebaixa Plutão tornando-o um planeta anão junto com Eris (2003 UB313), definido pela UAI. O planeta menor Ceres, também satisfaz a definição de um planeta anão, assim, atualmente tem-se oito planetas e três planetas anãos no Sistema Solar. Provavelmente, o número de planetas anãos aumentará com novas descobertas de objetos grande na região além de Netuno.

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9 Órbitas Planetárias A Figura 3.1 mostra os termos que são dados às propriedades orbitais dos planetas. Figura 3.1- Parâmetros de uma órbita eliptica.

10 As trajetórias dos planetas são órbitas elípticas com o Sol em um dos focos.
a - semi-eixo maior (órbita circular, a = r); e - excentricidade (0 < e < 1); a(1-e) - periélio (distância mínima ao Sol); a(1+e) - afélio (distância máxima ao Sol); - Vênus, por exemplo, sua órbita tem uma excentricidade de 0.007, aproximadamente uma órbita de circular. - Netuno e a Terra têm órbitas aproximadamente circularres com excentricidades de 0.01 e 0.17, respectivamente. Mercúrio e os planetas anões Plutão e Eris, têm órbitas mais excêntricas medindo 0.205, e 0.441, respectivamente. Note que, Plutão pode se aproximar mais do Sol do que Netuno no perélio.

11 - Uma conseqüência da excentricidade da órbita de Marte, é que a distância Terra-Marte pode variar significativamente a cada 2 anos e 2 meses. Assim, o seu tamanho angular varia, sendo observado com mais detalhes da sua superfície, aqui da Terra (Figura 3.2). Figura 3.2 – Situações quando Marte é visto tamanho angular menor (a) e maior (b).

12 A Terra está no afélio, em 4 de julho de cada ano, portanto as aproximações de Marte ocorrerão nos meses de inverno. A melhor aproximação dos últimos anos ocorreu no dia 27 de agosto de 2003, quando Marte estava a km da Terra com um diâmetro angular de ~25 arcsec (Figura 3.3). Ao contrário, se Março está no afélio e a Terra no periélio, o tamanho angular é menor que 14 arcsec – uma diferença significante! Os tamanhos angulares observados na oposição estão atualmente reduzindo e atingem o mínimo de arcsec no dia 3 de março de 2012. Eles aumentarão novamente até o dia 27 de julho de 2018, cujo diâmetro angular será arcsec – atingindo o máximo absoluto. Figura Marte observado pelo Telescópio Espacial Hubble. Imagem: J. Bell (Cornell U.), M. Wolff (SSI) et al., STScI, NASA.

13 Inclinação Orbital - A inclinação da órbita é o ângulo formado pelo plano orbital do planeta e o plano do Sistema Solar. - O plano do Sistema Solar incluir a Terra, de modo que a inclinação da órbita da Terra seja zero. - Os ângulos de inclinação tendem a ser pequenos, exceto no caso do Mercúrio, em 7°, e os planetas anões, Plutão e Eris, em 17° e 44.2°, respectivamente.

14 Propriedades Planetárias
Massas Planetárias - É possível encontrar a massa de um planeta se: o planeta tem um ou vários satélites naturais na órbita em volta dele, como no caso da Terra e dos planetas, Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno e do planeta anão Plutão (Charon) e Eris (Dysnomia); (2) o planeta adquiriu um satélite artificial como foi o caso da nave espacial Magellan na órbita de Vênus; (3) um satélite artificial passou pelo planeta como foi o caso quando Mariner 10 por Mercúrio. Em setembro de 2007, a nave espacial Dawn Mission, foi lançada para visitar tanto Ceres como um segundo corpo dentro do cinturão de asteróide, Vesta. Portanto, teremos as massas de todos os planetas e planetas anões atualmente conhecidos.

15 Calculando a massa de Marte
O método foi usado anteriormente para calcular a massa do Sol através do período e do semi-eixo maior da órbita da Terra. Calculando a massa de Marte - Marte tem um satélite, Phobos, que orbita num período de 7 h 39.2 min (27552 s) com órbita quase-circular; tem um semi-eixo maior de km ou x 106 m. - A força gravitacional entre o Marte e Phobos é dada por MmG/a2, onde M é a massa de Marte, m é a massa de Phobos, a, o semi-eixo maior da órbita de Phobos e G a constante universal de gravitação. Esta força é igual ao efeito da aceleração centrípeta, 2, ou v2/a sobre Phobos de massa m: MmG/a2 = mv2/a  M = v2a/G Como v = 2a/P, onde P é o período de Phobos, então substituindo: M = 42a3/GP2

16 com unidades de quilograma, segundo e metro. Assim,
M = 4 x ( )2 x ( x 106)3/[6.67 x x ( x 104)2] kg = 6.43 x 1023 kg - O valor aceito da massa de Marte é 6.42 x1023 kg. - Este erro é devido a aproximação leve de que a órbita de Phobos era circular, portanto a exatidão perfeita não deve ter sido esperada.

17 - Assim, considerando a sua massa, calcula-se a densidade.
Densidade Planetária - A partir da medida angular do planeta e da distância em relação ao Sol, pode-se calcular o diâmetro do planeta e consequentemente, o seu volume. - Assim, considerando a sua massa, calcula-se a densidade. Por exemplo, Saturno por ser achatado nos pólos, passa a ser um esferóide e não uma esfera com raio equatorial maior do que o raio polar. Considerando o ‘valor médio’ do raio: ~ km, tem-se, V = 4/3 x x (5.9 x 107)3 m3 = 7.76 x 1023 m3 Considerando a massa de Saturno de 5.7x 1026 kg, isto dá uma densidade de ~662 kgm-3, que é um pouco menor do que o valor aceito do 687 kgm-3. Note que é menor que a densidade da água (1000 kgm-3 a 4°C)

18 Períodos de Rotação - Para alguns planetas, como Marte, Júpiter e Saturno, nota-se que a rotação deixa uma marcas na superfície ou na atmosfera – ‘regiões vermelhas’ como as que estão na atmosfera de Júpiter. - A superfície de Mercúrio é variável quando vista da Terra e Vênus é coberta por nuvens. Nesses dois casos, os períodos de rotação foram medidos através dos radares planetários. Imagine um ponto no qual Vênus está exatamente entre a Terra e o Sol. Uma frequência contínua de rádio é refletida de Vênus quando um radar transmissor encontra-se na linha entre o centro da Terra, centro de Vênus e o centro do Sol. Neste momento o movimento de Vênus será através desta linha e não haverá efeito Doppler no eco devolvido.

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20 Para ser exato, haverá um pequeno desvio chamado efeito Doppler transversal devido a uma previsão da relatividade especial. A frequência do eco retornado estará na mesma frequência transmitida e, se Vênus não está girando, toda a energia emitida estará nesta freqüência. Supondo que Vênus está girando. Um sinal chegaria em nossa direção, enquanto o outro estaria se afastando. Assim, os ecos estariam deslocados (devido ao efeito Doppler) acima e abaixo do centro da frequência, causando ‘alargamento’ na frequência para o eco refletido. O maior o alargamento representaria a maior taxa de rotação do planeta. - A observação de radar feita nos anos de 1960, mostrou que Vênus tinha uma taxa de rotação muito baixa, dias em torno do seu eixo – 18.3 dias a mais completa uma órbita em torno do Sol.

21 Mais surpreendente, ele gira no sentido contrário ao esperado.
A maior parte dos planetas giram no sentido anti-horário, mas Vênus (junto com Urano e Plutão) gira no mesmo sentido do movimento dos ponteiros do relógio, no sentido oposto ao seu movimento orbital, e a rotação é dito ser retrógrado. Temperaturas Planetárias Há três caminhos para medir ou estimar a temperatura superficial de um planeta: (1) No caso de Vênus e Marte, as sondas espaciais fizeram medições direta na superfície. (2) A temperatura de Mercúrio foi prevista pela intensidade da emissão de ondas de rádio (assumindo atuar como um corpo negro). - De um modo semelhante, as temperaturas dos planetas exteriores foram previstos através da emissão em infravermelha.

22 (3) Pode-se calcular uma temperatura nominal supondo que planeta atue como um corpo negro e irradiando par longe a energia que ele recebe do Sol. (Deve haver um equilíbrio entre a energia absorvido do Sol e a emitida por um planeta.) Este último método será utilizado para o cálculo da temperatura superficial da Terra. Sabe-se que, acima da atmosfera, 1368 W da energia solar (a constante solar) caem na Terra por metro quadrado. A figura abaixo mostra que a Terra interceptaria esta radiação por uma área seccionada da Terra. Se SC é o valor da constante solar, então a energia total que cairá na Terra é dado por :  R2SC.

23 No equilíbrio, esta energia pode ser igual a,
Se assumirmos que os planetas atuam como corpo-negro, então a energia emitida por ele é dada pela Lei Stefan–Boltzmann: 4R2σT 4 No equilíbrio, esta energia pode ser igual a, R2SC = 4R2σT 4 SC = 4σT 4 T = (SC/4σ)1/4 = [1368/(4 x 5.7 x 10-8)]1/4 = 278 K A Terra é, em média, ~50% coberta por nuvens e absorve ~77% da radiação incidente solar. Considerando a redução da energia incidente por 0.77, TEarth só seria ~ 260 K. Contudo, o Efeito Estufa produzido pelo dióxido de carbono, metano e vapor de água na atmosfera impede a irradiação da energia como um corpo negro, aumentando assim a temperatura da Terra.

24 Os dois efeitos juntos provocam uma temperatura média de ~288 K.
Nota-se também, que sem os gases na nossa atmosfera o nosso planeta seria inabitável. Os gases absorvem a radiação infravermelha emitida pela Terra e logo re-emitem em diversas direções.

25 Albedo Quando a temperatura real de um planeta é afetada devido a energia incidente do Sol ser refletida para o espaço – isto é chamado o albedo de um planeta. A Terra tem um albedo de ~0.37, significando que reflete ~37% da energia do Sol e absorve 63%. Vênus tem um albedo de ~0.7 (valores publicados variam de 0.65 a 0.84), absorvendo 30% da energia solar incidente. Sua atmosfera de dióxido de carbono é tão espessa que a sua temperatura superficial aumenta significativamente. Marte tem um albedo de 0.15, assim absorve a maior parte da energia solar incidente. Sua fina atmosfera de dióxido de carbono (cerca de 1% da camada da Terra) é incapaz de reter muito calor.

26 Contudo, no passado, quando os vulcões emitiam jatos de gás na atmosfera (inclusive vapor de água, dióxido de carbono e metano) a sua temperatura aumentou significativamente e a vida pode ter surgido. Atmosferas Planetárias A atmosfera original do planeta surgiu da nebulosa solar onde o Sol e os planetas se formaram composta dos elementos hidrogênio e hélio e algumas moléculas mais pesadas, como dióxido de carbono, amônia e metano. A lei dos estados de Equipartição de Energia diz que todas as moléculas na atmosfera terão iguais energias cinéticas (½ mv2). Isto significa que moléculas de temperaturas mais baixas e com pequenas massas, terão alta velocidade do que as moléculas mais pesadas. Em média, a energia cinética das moléculas de um gás dependerão da temperatura da atmosfera.

27 onde k e a constante de Boltzmann dada por 1.38 x 10-23 m2 kg s-2 K-1.
A energia cinética média do movimento de uma molécula está relacionada ao absoluto temperatura, T, por : 1/2mv 2 = 3/2kT onde k e a constante de Boltzmann dada por 1.38 x m2 kg s-2 K-1. Assim, v = (3kT/m)1/2 Para uma dada temperatura, a velocidade de uma dada molécula será inversamente proporcional à raiz quadrada da sua massa molecular. Portanto, as moléculas de hidrogênio (massa molecular 2) se afastarão em média, quatro vezes mais rápido do que aqueles de oxigênio (massa molecular 32). Se uma molécula na atmosfera superior move-se a alta velocidade, então ela pode escapar do planeta para o espaço. Como a velocidade de escape depende da massa do planeta, então os planetas mais quentes e leves poderiam perder as moléculas mais leves.

28 Enquanto que, os planetas mais frios e mais massivos seriam capazes de reter até as moléculas mais leves dentro das suas atmosferas. Calculando a velocidade média das moléculas de nitrogênio que têm uma massa de 4.68 x10 26 kg: v = [(3 x 1.38 x x 300)/4.68 x 1026]1/2 = kms-1. Deste modo, para o nitrogênio (massa moleculares 28) e oxigênio (massa molecular 32) na atmosfera da Terra numa temperatura de ~300 K, as velocidades moleculares típicas são de 0.52 e 0.48 kms-1, respectivamente. Isto é muito menor do que a velocidade de escape da Terra que é 11.2 kms-1, portanto não esperaríamos que esses gases escapassem da nossa atmosfera. Devido a choques entre eles, as moléculas não se movem todas na mesma velocidade; algumas são mais rápidas e outras mais lentas do que a média.

29 Os números relativos de moléculas com velocidades média é dada pela distribuição Maxwell–Boltzmann.
Poucas moléculas podem mover-se rápido para escapar, mesmo quando a velocidade média molecular é muito menor do que a velocidade de fuga. Os cálculos mostram que se a velocidade de escape num planeta excede a velocidade média de um dado tipo de molécula por um fator de 6 ou mais, então essas moléculas não escaparão durante a vida do Sistema Solar. Na atmosfera da Terra, as velocidades média das moléculas de oxigênio e nitrogênio são bem abaixo de um sexto da velocidade de fuga. Considere a Lua: a sua velocidade de fuga é 2.4 kms-1 e, assumindo que possa ter tido uma atmosfera na mesma temperatura que a da Terra, as velocidades moleculares médias de nitrogênio e oxigênio seriam cinco vezes menor do que a velocidade de fuga da Lua. Portanto não é surpreendente que ele não tenha nenhuma atmosfera!

30 Se Mercúrio teve uma atmosfera a uma temperatura de ~700 K, a velocidade média molecular do nitrogênio ou oxigênio é ~0.8 kms-1, significativamente mais de um sexto da velocidade de fuga de mercúrio de 4.2 kms-1. Assim houve um tempo amplo para essas moléculas escaparem. Esses argumentos permitem que vejamos por que a nossa própria atmosfera contém pouco hidrogênio. O movimento de moléculas de hidrogênio, em média, é aproximadamente 2 kms-1, mais de um sexto da velocidade de fuga da Terra. O hidrogênio terá escapado e agora compõe só % da atmosfera! Ao contrário considere Júpiter: a velocidade de fuga é 60 kms-1 e tem uma temperatura superficial de 100 K.

31 A Evolução da Atmosfera da Terra
Na atmosfera Jovian, a velocidade das moléculas de hidrogênio é ~1 kms-1, 60 vezes menor do que a velocidade de fuga, e portanto Júpiter retem o hidrogênio na sua atmosfera. A Evolução da Atmosfera da Terra No início da sua formação, a atmosfera terrestre era composta basicamente de hidrogênio e hélio, os quais foram substituídos por uma atmosfera secundária resultado de atividades vulcânicas. Era composta principalmente de dióxido de carbono e vapor d’água, pouco nitrogênio e praticamente nenhum oxigênio. Com o esfriamento da Terra, a maior parte do dióxido de carbono foi dissolvido nos oceanos e convertido em carbonatos. Há aproximadamente 3.3 bilhões de anos quando se iniciou a produção de oxigênio, as bactérias surgiram na Terra.

32 No bilhão de anos seguinte, surgiu a maior parte do oxigênio na nossa atmosfera.
O oxigênio e as bactérias então reagiram com a amônia para formar nitrogênio. O nitrogênio foi formado pela ação da radiação ultravioleta na amônia em um processo chamado ‘photolysis’. Com o aumento da vegetação, o nível de oxigênio na atmosfera aumentou o significativamente e a camada de ozônio apareceu. Durante aproximadamente 200 milhões de anos, 35% da atmosfera era composta de oxigênio e o restante era basicamente nitrogênio presente na atmosfera secundária insolúvel na água.

33 OBS: (Fonte: Wikipédia, a enciclopédia livre)
- A ozonosfera ou camada de ozônio é encontrada na estratosfera, região da atmosfera situada entre 16 e 30 km de altitude com a propriedade de absorver a radiação ultravioleta do Sol. - A camada é tão rarefeita que, se fosse comprimida à pressão atmosférica ao nível do mar, sua espessura não ultrapassaria a três milímetros. É importante lembrar que não é o ozônio em si o responsável pela proteção contra os raios ultravioletas, mas o ciclo ozônio-oxigênio. Neste ciclo, há grande absorção da radiação solar, transformada em energia térmica na estratosfera. Os CFCs, conhecidos pelo efeito prejudicial à ozonosfera, por meio do cloro gasoso, têm o papel de paralisar o ciclo. Embora os CFCs sejam gases do efeito estufa, sua ação neste fenômeno é pequena. Não deve-se confundir a questão do ozônio na atmosfera, relacionada à radiação ultravioleta com a questão do efeito estufa, relacionada com a radiação infravermelha.