Pergunte a Ethan: A Terra orbita o Sol mais lentamente a cada ano novo?
A Terra, movendo-se em sua órbita ao redor do Sol e girando em seu eixo, parece fazer uma órbita elíptica fechada, imutável. Se olharmos com uma precisão alta o suficiente, no entanto, descobriremos que nosso planeta está realmente se afastando do Sol, o que faz com que sua velocidade orbital diminua muito ligeiramente ao longo do tempo. (LARRY MCNISH, RASC CALGARY)
Se estamos migrando lentamente, nossa velocidade também está mudando?
Todos os anos, o planeta Terra completa uma revolução em torno do Sol enquanto gira em seu eixo. Em uma base de ano a ano, nossas mudanças orbitais são tão minúsculas que são praticamente imperceptíveis, já que a duração de uma única revolução (1 ano) é pequena comparada a quanto tempo o planeta está girando em torno do Sol (~4,5 bilhões de anos). E, no entanto, nosso conhecimento do Universo é vasto o suficiente e nossos instrumentos modernos são sensíveis o suficiente para que não apenas saibamos que a órbita da Terra muda ligeiramente ao longo do tempo, mas também podemos quantificar e afirmar com confiança exatamente quais serão essas mudanças. O que isso significa para a velocidade da Terra em torno do Sol? É isso que Frank Wirtz quer saber, escrevendo para perguntar:
Li um de seus artigos que dizia que (por enquanto) a órbita da Terra está se afastando muito lentamente do Sol. A órbita da Terra está acontecendo mais rapidamente ou mais lentamente? Você pode me esclarecer?
É uma pergunta fascinante para explorar, e a resposta curta é sim. Cada ano, A Terra migra ligeiramente para longe do Sol , e também demora um pouco mais para completar uma revolução completa. Aqui está a ciência por trás disso.
Um modelo preciso de como os planetas orbitam o Sol, que então se move pela galáxia em uma direção de movimento diferente. Observe que os planetas estão todos no mesmo plano e não estão se arrastando atrás do Sol ou formando um rastro de qualquer tipo. Os planetas mudam de posição um em relação ao outro, fazendo com que mudem suas posições aparentes e brilhos no céu vistos da Terra. (RHYS TAYLOR)
Quando pensamos na Terra orbitando o Sol, normalmente fazemos algumas suposições simplificadoras. Pensamos na Terra girando em seu eixo e se movendo pelo espaço, sendo a gravitação do Sol a única força que atua sobre ela. Consideramos o Sol e a Terra como tendo cada um sua própria massa fixa e constante; pensamos no espaço que a Terra percorre sendo vazio; pensamos no Sol como permanecendo no mesmo lugar enquanto a Terra orbita em uma elipse ao seu redor; negligenciamos os efeitos da Lua, dos outros planetas e os efeitos exclusivos da Relatividade Geral; etc.
Na realidade, não apenas sabemos que todas essas suposições são falsas, mas podemos – se estivermos dispostos a ser precisos o suficiente – quantificar esses efeitos e determinar quais são importantes, quão importantes são e quais mudanças causam na aproximação mais simplista. Se tudo o que tivéssemos fosse a Terra e o Sol e os tratássemos como duas massas pontuais imutáveis, a Terra simplesmente faria uma elipse fechada e imutável em sua órbita: exatamente o que Kepler previu. Mas se quisermos ser mais precisos, precisamos nos aprofundar nesses detalhes sangrentos .
Este recorte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é o único local onde ocorre a fusão nuclear. Com o passar do tempo, a região que contém hélio no núcleo se expande e a temperatura máxima aumenta, fazendo com que a produção de energia do Sol aumente. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KELVINSONG)
O primeiro efeito que devemos considerar é o fato de o Sol brilhar. Neste Universo, não existe energia livre, e isso vale até para algo como o Sol, que emite 4 × 10²⁶ W de potência contínua. De onde vem a energia para isso? Da fusão nuclear de núcleos de hidrogênio (começando com prótons) em hélio-4 (com dois prótons e dois nêutrons), que ocorre em uma reação em cadeia que libera energia.
Cada vez que quatro prótons se fundem, culminando na produção de um núcleo de hélio-4, um total de 28 MeV (onde um MeV é um milhão de elétron-volts) de energia é liberado. Se convertermos isso em massa – que é a equação mais famosa de Einstein, E = mc² , nos permite fazer - aprendemos que o Sol perde um total de cerca de 4 milhões de toneladas de massa devido à fusão nuclear a cada segundo que passa. Ao longo da vida do nosso Sistema Solar, a massa do Sol diminuiu cerca de 95 massas terrestres devido à fusão nuclear, ou aproximadamente a massa de Saturno.
Uma erupção solar do nosso Sol, que ejeta matéria para longe de nossa estrela-mãe e para o Sistema Solar, é diminuída em termos de 'perda de massa' por fusão nuclear, que reduziu a massa do Sol em um total de 0,03% de sua massa inicial. valor: uma perda equivalente à massa de Saturno. E=mc², quando você pensa sobre isso, mostra como isso é energético, pois a massa de Saturno multiplicada pela velocidade da luz (uma grande constante) ao quadrado leva a uma tremenda quantidade de energia produzida. (OBSERVATÓRIO DE DINÂMICA SOLAR DA NASA / GSFC)
Além de perder massa por causa da radiação energética que sai do Sol, nossa estrela-mãe também emite partículas: o vento solar. As partículas no próprio limbo do Sol são mantidas muito frouxamente na borda da fotosfera. Partículas como elétrons, prótons e núcleos ainda mais pesados podem ganhar energia cinética suficiente para serem ejetadas completamente do Sol, criando um fluxo de partículas que chamamos de vento solar. Além disso, explosões solares, ejeções de massa coronal e outros eventos intensos ocorrem periodicamente e irregularmente, contribuindo ainda mais para a perda de massa do Sol.
Eles se espalham por todo o Sistema Solar e a esmagadora maioria acaba no meio interestelar, levando aproximadamente 1,6 milhão de toneladas de massa a cada segundo atualmente. Ao longo da vida do Sol, isso resulta na perda de cerca de 30 massas terrestres devido ao vento solar. Quando combinamos a perda do vento solar com a perda de massa da fusão nuclear, descobrimos que o Sol de hoje é cerca de 10²⁷ kg mais leve do que o Sol era cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, logo após o nascimento do nosso Sistema Solar.
Marte, o planeta vermelho, não tem campo magnético para protegê-lo do vento solar, o que significa que perde quantidades muito mais significativas de atmosfera do que a Terra. O efeito do vento solar atingindo nosso planeta ainda é importante, pois o impacto de ~ 18.000 toneladas de matéria por ano pode eventualmente aumentar. (NASA/GSFC)
É claro que a existência do vento solar não afeta apenas a massa do Sol e a força gravitacional que liga a Terra ao nosso Sol, mas uma fração dessas partículas também colide com nosso planeta, causando uma variedade de efeitos. Essas partículas carregadas são canalizadas pelo campo magnético da Terra para nossos pólos, onde produzem auroras ao atingir a atmosfera. Algumas das partículas que colidem com nosso planeta podem chutar partículas atmosféricas para o espaço, fazendo com que elas escapem completamente da Terra.
E, relevante para o problema da mudança da órbita da Terra, também podemos fazer com que essas partículas do vento solar colidam inelasticamente com o planeta Terra, alterando nosso movimento, massa e nosso momento linear e angular. Um total de cerca de 18.000 toneladas de material atinge nosso planeta todos os anos, levando aproximadamente 3 dias para viajar do Sol à Terra. Assim como os dois efeitos anteriores – a perda de massa do Sol devido à fusão nuclear e a emissão de partículas – este também muda a órbita da Terra, muito ligeiramente, ao longo do tempo.
Os planetas se movem nas órbitas que fazem, de forma estável, devido à conservação do momento angular. Sem nenhuma maneira de ganhar ou perder momento angular, eles permanecem em suas órbitas elípticas arbitrariamente no futuro. No entanto, mudanças devido a colisões de partículas, forças gravitacionais de outros planetas ou a mudança da massa do Sol podem não apenas empurrar a Terra para distâncias maiores, mas também para velocidades mais lentas. (NASA/JPL)
Esses três efeitos são os únicos que importam agora, então podemos calcular o que está acontecendo com a órbita da Terra a longo prazo como resultado deles.
- O efeito do vento solar batendo na Terra nos empurra levemente para fora, mas a enorme massa da Terra em comparação com a pequena quantidade de vento solar que nos atinge garante que esse efeito seja pequeno. Ao longo de cada milhão de anos, ele empurra a órbita da Terra para fora na largura de um próton: 1 Å, ou cerca de meio mícron durante a vida útil do nosso Sistema Solar.
- As duas causas da perda de massa do Sol, no entanto - as ~30 massas da Terra da produção de vento solar e as ~95 massas da Terra da radiação - são mais significativas. A cada ano que passa, essa perda de massa significa que a Terra espirala para fora a uma taxa de aproximadamente 1,5 cm (cerca de 0,6 polegadas) a cada ano. Ao longo da história do nosso Sistema Solar, levando em conta como nosso Sol mudou, estamos cerca de 50.000 km mais distantes do Sol versus 4,5 bilhões de anos atrás.
Se quisermos, podemos usar isso para calcular o quanto nossa velocidade orbital mudou também.
Embora a órbita da Terra sofra mudanças periódicas e oscilatórias em várias escalas de tempo, também há mudanças muito pequenas de longo prazo que se somam ao longo do tempo. Embora as mudanças na forma da órbita da Terra sejam grandes em comparação com essas mudanças de longo prazo, as últimas são cumulativas e, portanto, são importantes. (NASA/JPL-CALTECH)
A Terra, em média, gira em torno do Sol a uma velocidade de aproximadamente 29,78 km/s (18,51 mi/s), ou cerca de 0,01% da velocidade da luz. Na verdade, isso varia um pouco, já que a Terra faz uma órbita elíptica ao redor do Sol: movendo-se mais rápido no periélio (mais próximo do Sol) e mais lento no afélio (mais distante do Sol). A diferença é pequena, mas computável. No nosso mais rápido, nos movemos pelo espaço a 30,29 km/s (18,83 mi/s), enquanto no mais lento, nos movemos a 29,29 km/s (18,20 mi/s).
Embora ainda não tenhamos a precisão para medir como nossa velocidade no espaço mudou, nossa compreensão da física em jogo – dinâmica orbital, comportamento do momento angular e como funciona a gravitação – nos permite calcular como nosso Sistema Solar está mudando. afetou (e continua afetando) nossa velocidade. A cada ano que passa, a Terra desacelera em aproximadamente 3 nanômetros por segundo em relação à rapidez com que estava se movendo no ano anterior. Ao longo da história de 4,5 bilhões de anos do Sistema Solar, extrapolando nossa matemática anterior, nosso planeta diminuiu aproximadamente 10 metros por segundo, ou cerca de 22 milhas por hora.
Quando colocamos os objetos conhecidos no Sistema Solar em ordem, destacam-se quatro mundos internos rochosos e quatro mundos externos gigantes. No entanto, todos os objetos que orbitam o Sol estão se afastando do centro maciço do nosso Sistema Solar enquanto queimam seu combustível e perdem massa. Embora não tenhamos observado diretamente essa migração, as previsões da física são extremamente claras. (NASA É O LUGAR ESPACIAL)
É assim que a órbita da Terra está mudando hoje, lembre-se, e como ela mudou ao longo do tempo até agora. Essa mesma análise se aplica muito ao nosso passado recente, bem como ao nosso futuro de curto prazo. Mas, à medida que olhamos para escalas de tempo cada vez mais longas e para o futuro muito distante do nosso Sistema Solar, podemos identificar três efeitos futuros que podem mudar drasticamente nossa órbita quando finalmente se tornarem importantes.
E há alguns. Com o tempo, os efeitos gravitacionais dos planetas puxando um ao outro potencialmente farão com que nossas órbitas se tornem caóticas. Embora, por exemplo, os planetas internos estejam todos seguros nos próximos bilhões de anos, há cerca de 1% de chance de que um de nós quatro – Mercúrio, Vênus, Terra ou Marte – se torne instável em nossas órbitas do Sistema Solar. Se isso ocorrer, a órbita da Terra pode mudar significativamente, possivelmente até lançando nosso planeta no Sol ou ejetando-o inteiramente do Sistema Solar. Este é o componente mais imprevisível da nossa órbita planetária.
À medida que o Sol se torna uma verdadeira gigante vermelha, a própria Terra pode ser engolida ou engolida, mas definitivamente será assada como nunca antes. As camadas externas do Sol aumentarão para mais de 100 vezes seu diâmetro atual, mas os detalhes exatos de sua evolução e como essas mudanças afetarão as órbitas dos planetas ainda têm grandes incertezas. (WIKIMEDIA COMMONS/FSGREGS)
Além disso, o Sol evoluirá rapidamente no final de sua vida, ejetando grandes quantidades de massa e inchando em uma gigante vermelha. Nesta fase, a órbita da Terra vai espiralar significativamente para fora, aumentando cerca de 10 a 15%, enquanto nossa velocidade orbital diminui aproximadamente na mesma porcentagem. Enquanto isso, o Sol se expande, onde está previsto para engolir Mercúrio e Vênus, e se tornará maior que a órbita atual da Terra, mas não muito. O destino final da Terra permanece desconhecido .
Existem encontros aleatórios que não podemos prever no futuro muito distante: a passagem de estrelas rebeldes, anãs marrons e outras massas através do nosso Sistema Solar. Qualquer um deles tem o potencial de ejetar a Terra ou perturbar nossa órbita, mas essas mudanças são imprevisíveis.
Por último, há ondas gravitacionais. Se tudo mais falhar, a Terra irradiará sua energia orbital na forma de radiação gravitacional, fazendo com que nossa órbita decaia e a Terra espirale para o que resta do Sol depois de mais 10²⁶ anos. Isso não é relevante nas escalas de tempo de hoje, mas longe o suficiente no futuro, pode ser o único efeito orbital de qualquer consequência.
Uma visão animada de como o espaço-tempo responde à medida que uma massa se move através dele ajuda a mostrar exatamente como, qualitativamente, não é apenas uma folha de tecido. Em vez disso, todo o próprio espaço 3D fica curvado pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do Universo. Múltiplas massas em órbita umas das outras causarão a emissão de ondas gravitacionais. (LUCASVB)
Ao todo, a Terra se afasta do Sol a uma taxa de cerca de 1,5 cm a cada ano, fazendo com que sua velocidade orbital caia cerca de 3 nanômetros por segundo nessa escala de tempo. Se você somar todas as pequenas mudanças que ocorreram ao longo da história do nosso Sistema Solar, você descobrirá que agora estamos cerca de 50.000 km mais distantes em nossa órbita do que estávamos há 4,5 bilhões de anos, e nos movemos a cerca de 10 metros. por segundo mais lento ao redor do Sol do que fazíamos lá atrás. Com o passar do tempo, continuaremos a espiralar e desacelerar, à medida que o Sol continua a perder massa devido à fusão nuclear e ao vento solar.
Isso pode parecer contra-intuitivo, mas faz mais sentido se você pensar na Terra orbitando o Sol da mesma maneira que você segura uma bola em uma corda e a gira. Se sua corda for curta e a força que você exercer for grande, a bola vai girar muito rápido. Se sua corda for longa e a força for pequena, a bola gira mais lentamente. À medida que alongamos a proverbial corda que representa a distância Terra-Sol, a força gravitacional fica um pouco mais fraca e, portanto, a Terra não tem escolha a não ser se mover mais lentamente. O efeito pode ser pequeno ano a ano, mas o Universo, pelo que sabemos, tem paciência infinita. Aproveite sua mais recente jornada ao redor do Sol, porque nunca mais teremos uma que passe tão rápido novamente.
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Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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