Pergunte a Ethan: Quanto tempo até que nosso calendário precise ser substituído?
Mesmo com anos bissextos e planejamento de longo prazo, nosso calendário não será bom para sempre. Aqui está o porquê e como corrigi-lo.
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, enquanto o período de rotação do nosso planeta está diminuindo ao longo do tempo. O mesmo calendário que usamos hoje não se aplica ao passado ou futuro distante. (Crédito: Larry McNish/RASC Calgary)
Principais conclusões- Todos os anos, o período de rotação da Terra muda ligeiramente, e em tempos suficientemente longos, o mesmo acontece com o número de dias em um ano.
- Mesmo com tudo o que fizemos para calcular com precisão essas mudanças, nosso calendário moderno durará apenas mais alguns milênios antes que mais mudanças sejam necessárias.
- Eventualmente, os anos bissextos desaparecerão completamente, e então começaremos a precisar remover os dias. Com o tempo, até os eclipses solares totais cessarão.
A cada ano que passa, assumimos que duas coisas separadas se alinharão. Um é o ano sazonal na Terra: a progressão do inverno para a primavera, para o verão, para o outono e vice-versa, coincidindo também com os solstícios e equinócios periódicos. Por outro lado, há também o ano astronômico: onde a Terra completa uma volta completa ao redor do Sol e retorna ao mesmo ponto em sua órbita. O objetivo de mudar para o calendário que usamos agora - o calendário gregoriano - era garantir que essas duas maneiras de rastrear a passagem de um ano, usando o Ano Tropical (que se alinha com as estações) em vez do Ano Sideral (que se alinha com a órbita da Terra).
Mas mesmo escolhendo o ano Tropical, nosso calendário nem sempre se alinha, mesmo com nosso conhecimento moderno de cronometragem. Isso ocorre porque as propriedades orbitais da própria Terra estão mudando ao longo do tempo e, assim que o tempo passar, teremos que modificar nosso calendário para acompanhar. Mas quanto tempo temos e como precisaremos modificá-lo? É isso que Alisa Rothe quer saber, perguntando:
[Eu li que] a Terra está desacelerando em sua órbita ao redor do Sol. Isso significa que, eventualmente, teremos que adicionar mais um dia ao nosso ano civil? Quanto tempo vai passar antes que isso se torne necessário? E da mesma forma, um ano costumava conter menos dias 4,5 bilhões de anos atrás?
Essas são ótimas perguntas. Mas para descobrir as respostas, temos que olhar para todas as mudanças que estão acontecendo juntas, para ver quais são mais importantes.
A presença ou ausência de um 29 de fevereiro no calendário determina com grande significado se o equinócio avança ou retrocede no tempo em relação ao equinócio do ano anterior. 2020 marcou o primeiro ano desde 1896 em que todos os Estados Unidos experimentaram um equinócio de 19 de março. Os dias bissextos não ocorrem a cada 4 anos e precisaremos alterar sua frequência para acompanhar o calendário. (Crédito: Getty Images)
Vamos começar respondendo a uma pergunta mais simples: agora, quão boa é a correspondência entre o ano civil e o ano tropical real?
O ano tropical é o mesmo se você medir a partir de:
- solstício de verão em solstício de verão,
- solstício de inverno em solstício de inverno,
- equinócio de primavera em equinócio de primavera,
- equinócio de outono para equinócio de outono,
ou qualquer outro ponto no tempo, com base na posição do Sol no céu em relação à Terra, como no ano anterior. Para calcular o ano tropical, você precisa incluir não apenas a Terra girando em seu eixo e girando em torno do Sol, mas também a precessão dos equinócios e todas as outras mudanças orbitais.
Basicamente, se você der uma olhada no eixo da Terra e disser, é assim que está orientado, em relação ao Sol, neste exato momento, um único ano tropical marcaria a próxima vez que o eixo da Terra retornasse exatamente à mesma orientação . Não é exatamente o mesmo que uma revolução de 360° ao redor do Sol, mas com uma pequena diferença. Em termos de tempo que leva para fazer um ano tropical hoje, são precisamente 365,2422 dias. Em termos mais convencionais, são 365 dias, 5 horas, 48 minutos e 45 segundos.
Viajar uma vez ao redor da órbita da Terra em um caminho ao redor do Sol é uma jornada de 940 milhões de quilômetros. Os 3 milhões de quilômetros extras que a Terra viaja pelo espaço, por dia, garantem que girar 360 graus em nosso eixo não restaurará o Sol à mesma posição relativa no céu de um dia para o outro. É por isso que nosso dia dura mais de 23 horas e 56 minutos, que é o tempo necessário para girar 360 graus. (Crédito: Larry McNish no RASC Calgary Centre)
O fato de nosso ano tropical não ser perfeitamente divisível em um número inteiro de dias é a razão de nosso sistema relativamente complexo de anos bissextos: anos em que inserimos (ou não) um dia extra em nosso calendário. Na maioria dos anos, atribuímos 365 dias ao nosso calendário, enquanto nos anos bissextos, adicionamos um 366º dia: 29 de fevereiro.
Originalmente, conservávamos o tempo usando o calendário juliano, que adicionava esse 366º dia a cada quatro anos: em um ano bissexto. Isso levou a uma estimativa de longo prazo de 365,25 dias em um ano, o que significa que, a cada quatro anos que passavam em nosso calendário, estávamos saindo de sincronia com o ano tropical real em 45 minutos.
Quando o século 16 chegou, estávamos fora de sincronia com o ano real por mais de uma semana. Como resultado, por decreto em 1582, quando o calendário gregoriano foi introduzido, os dias entre 5 e 14 de outubro foram simplesmente ignorados no calendário, trazendo o ano civil e o ano tropical de volta ao alinhamento. Quando você ouve histórias como Isaac Newton nasceu no Natal ou que Shakespeare e Cervantes morreram no mesmo dia, não se deixe enganar. A Inglaterra atrasou décadas na adoção dessa mudança de calendário; de acordo com o calendário que usamos hoje, Newton nasceu em janeiro e Shakespeare viveu mais 10 dias após a morte de Cervantes.
Embora muitos países tenham adotado o calendário gregoriano pela primeira vez no ano de 1582, não foi até o século 18 que ele foi adotado na Inglaterra, com muitos países fazendo a transição ainda mais tarde. Como resultado, a mesma data, conforme registrada em diferentes países, geralmente corresponde a um momento diferente. (Crédito: Wikipédia em inglês)
A diferença é que, de acordo com o calendário gregoriano, não temos um ano bissexto a cada quatro anos; temos um ano bissexto a cada quatro anos, exceto nos anos terminados em 00 que também não são divisíveis por 400. Em outras palavras, 2000 foi um ano bissexto, mas 1900 e 1800 não foram, e 2100 também não será. Isso se traduz em uma média de longo prazo de 365,2425 dias em um ano, o que apenas nos tira de sincronia do verdadeiro Ano Tropical em cerca de 27 segundos a cada ano que passa.
Isso é muito bom! Isso significa que poderíamos esperar mais 3.200 anos antes que o calendário gregoriano ficasse fora de sincronia com o Ano Tropical por um único dia; uma precisão notável de como mantemos o tempo. De fato, se modificássemos o calendário gregoriano para isentar todos os anos que também fossem divisíveis por 3.200 de serem bissextos, levaria cerca de 700.000 anos para que nosso calendário ficasse defasado por um único dia!
Mas tudo isso pressupõe duas coisas, nenhuma das quais é realmente verdadeira.
- Essa Terra, girando em seu eixo, sempre levará a mesma quantidade de tempo para completar uma rotação completa de 360° como faz hoje.
- E que a Terra, girando em torno do Sol, seguirá sempre a mesma órbita precisa que segue hoje.
Se quisermos saber como nosso calendário precisa ser modificado ao longo do tempo, temos que levar em conta todas as mudanças que ocorrerão ao longo do tempo – quantitativamente – e combiná-las todas. Só assim poderemos saber como nosso Ano Tropical mudará ao longo do tempo, e isso informará o que precisamos fazer para manter nosso calendário sincronizado com o ano que o vivenciamos na Terra.
Em cada ponto ao longo de um objeto atraído por um único ponto de massa, a força da gravidade (Fg) é diferente. A força média, para o ponto no centro, define como o objeto acelera, o que significa que todo o objeto acelera como se estivesse sujeito à mesma força geral. Se subtrairmos essa força (Fr) de cada ponto, as setas vermelhas mostram as forças de maré experimentadas em vários pontos ao longo do objeto. Essas forças, se forem grandes o suficiente, podem distorcer e até mesmo separar objetos individuais. (Crédito: Vitold Muratov/CC-by-SA-3.0)
Sempre que você tiver uma massa puxando outra, verá não apenas os efeitos da atração gravitacional em jogo, mas também os efeitos das forças de maré. Você pode pensar nas marés como decorrentes do fato de que sempre que você tem um objeto que ocupa volume - como o planeta Terra - um lado dele sempre estará mais próximo da massa de atração do que do centro, enquanto o lado oposto está mais distante do centro. a massa atrativa. As porções mais próximas experimentam uma força gravitacional maior, enquanto as porções mais distantes experimentam uma força menor.
Da mesma forma, partes da massa que estão acima ou abaixo, bem como em qualquer lado lateral, experimentarão sua força em uma direção ligeiramente diferente. Quando o Sol e a Lua agem sobre a Terra, nosso planeta incha um pouco devido a essas forças de maré. E, quando algo puxa gravitacionalmente um objeto giratório e protuberante, essa força externa age da mesma maneira que o ato de colocar levemente o dedo contra um pião giratório: como uma força de atrito, diminuindo a rotação. Com o tempo, isso pode realmente aumentar!
A Lua exerce uma força de maré sobre a Terra, que não apenas causa nossas marés, mas também causa a interrupção da rotação da Terra e um subsequente prolongamento do dia. A natureza assimétrica da Terra, agravada pelos efeitos da atração gravitacional da Lua, faz com que a Terra gire mais lentamente. Para compensar e conservar o momento angular, a Lua deve espiralar para fora. (Crédito: usuário do Wikimedia Commons Wikiklass; E. Siegel)
Esse efeito de frenagem tira o momento angular da Terra em rotação, fazendo com que ela gire cada vez mais devagar ao longo do tempo. Mas o momento angular é algo que é fundamentalmente conservado; ele não pode ser criado ou destruído, apenas transferido de um objeto para outro. Se a rotação da Terra está diminuindo, esse momento angular deve ser transferido para outro lugar.
Então, onde está isso em outro lugar? Na Lua, que se afasta da Terra à medida que a rotação da Terra diminui.
A cada ano que passa, essas forças de maré aumentam a quantidade de tempo que a Terra leva para completar uma rotação completa de 360° em uma quantidade pequena, mas quase imperceptível. Comparado a exatamente um ano atrás, nosso planeta leva 14 microssegundos extras para completar uma rotação completa. Esses 14 microssegundos extras por dia aumentam com o tempo, e é por isso que - em média - temos que adicionar um segundo bissexto ao nosso relógio para mantê-los onde deveriam estar a cada 18 meses.
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 quando se fala sobre o passado ou futuro distante. (Crédito: NASA/JPL-Caltech)
É claro que esse efeito se acumula por longos períodos de tempo, mas existem outros efeitos trabalhando junto com ele:
- radiação do Sol, que empurra a Terra ligeiramente para fora em sua órbita ao redor do Sol,
- o vento solar - partículas do Sol - que colidem com a Terra e diminuem ligeiramente seu movimento,
- e perda de massa do Sol, que emite partículas e converte massa em energia (via Einstein's E = m dois ) através da fusão nuclear em seu núcleo, fazendo com que a Terra espirale lentamente para fora, para longe do Sol.
Embora os efeitos da perda de momento angular façam com que a Terra gire a uma taxa mais lenta, o que significa que, à medida que o tempo passa, leva menos dias para compensar um ano, todos esses efeitos fazem algo completamente diferente. Quando você empurra a Terra para fora, quando diminui o movimento da Terra ou quando diminui a massa do Sol, isso faz com que o ano se prolongue. O maior efeito, como se vê, vem da perda de massa, já que o Sol totaliza cerca de 5,6 milhões de toneladas de massa por segundo da fusão nuclear (4 milhões) e do vento solar (1,6 milhão) combinados, ou o equivalente a 177 trilhões de toneladas de massa por ano.
Uma explosão solar do nosso Sol, que ejeta matéria para longe de nossa estrela-mãe e para o Sistema Solar. A ejeção de partículas vem de eventos como esses, bem como do vento solar constante, mas a “perda de massa” da fusão nuclear é 250% mais poderosa. No geral, esses efeitos reduziram a massa do Sol em um total de 0,04% de seu valor inicial: uma perda equivalente a mais do que a massa de Saturno. (Crédito: Solar Dynamics Observatory/GSFC da NASA)
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. E estamos orbitando ao redor do Sol a uma velocidade um pouco mais lenta – cerca de 0,01 km/s mais lenta – hoje do que estávamos quando o Sistema Solar se formou.
Considere que no nosso mais rápido, a Terra se move pelo espaço a 30,29 km/s (18,83 mi/s), enquanto no nosso mais lento, nos movemos a 29,29 km/s (18,20 mi/s), essa diferença é muito, muito pequena e o efeito pode ser completamente negligenciado sem perder praticamente nenhuma precisão. Da mesma forma, efeitos como terremotos, derretimento do gelo, formação de núcleos e expansão térmica da Terra existem, mas dominam apenas em escalas de tempo muito curtas, onde as mudanças são relativamente rápidas.
O que faz, então, nas longas escalas de tempo que estamos considerando? O efeito dominante na determinação de como a duração de um ano tropical muda em relação a um ano civil é definido pela frenagem das marés da Terra. E quanto mais esperamos, maior a discrepância se torna. Não será, astronomicamente falando, muito antes de adicionar um segundo aqui ou ali se tornar uma correção totalmente insuficiente para o nosso planeta em mudança.
A relação entre a massa de água continental e a oscilação leste-oeste no eixo de rotação da Terra. As perdas de água da Eurásia correspondem a oscilações para leste na direção geral do eixo de rotação (em cima), e os ganhos eurasianos empurram o eixo de rotação para oeste (em baixo). À medida que o gelo ganha e perde massa, isso também pode causar mudanças no período de rotação diária da Terra. Em prazos curtos, esses efeitos podem dominar as mudanças na duração do dia; longo prazo, eles podem ser negligenciados. (Crédito: NASA/JPL-Caltech)
A maneira como precisaremos modificar nosso calendário, à medida que a rotação da Terra diminui um pouco, é removendo dias, em vez de adicioná-los. Conforme o tempo passa inicialmente, vamos querer começar a reduzir a frequência dos anos bissextos; seremos capazes de eliminá-los completamente depois de mais ~ 4 milhões de anos. Nesse ponto, a Terra girará um pouco mais lentamente e um ano civil corresponderá precisamente a 365.0000 dias. Além desse ponto, precisaremos começar a ter anos bissextos reversos, nos quais removemos um dia de vez em quando, antes de finalmente descermos para ~ 364 dias anos cerca de ~ 21 milhões de anos no futuro. À medida que essas mudanças ocorrerem, o dia se estenderá para mais de 24 horas. Eventualmente, passaremos até Marte, com um dia de 24 horas e 37 minutos, para nos tornarmos o planeta com o 3º dia mais longo do Sistema Solar, atrás apenas de Mercúrio e Vênus.
Isso pode levar você a questionar: isso significa que tivemos mais dias – e dias mais curtos – no início da história da Terra?
Não apenas achamos que esse é o caso, mas temos evidências que o apoiam! Geologicamente, os oceanos sobem e descem ao longo das costas continentais com as marés, e sempre o fizeram. Padrões diários podem ficar permanentemente cozidos no solo, criando formações conhecidas como ritmites de maré. Alguns desses ritmites de maré, como a formação Touchet, abaixo, foram preservados na rocha sedimentar da Terra, permitindo-nos determinar o período de rotação do nosso planeta no passado. Quando o asteroide que eliminou os dinossauros atingiu, 65 milhões de anos atrás, um dia era cerca de 10 a 15 minutos mais curto do que é hoje. A formação mais antiga desse tipo vem até nós de 620 milhões de anos atrás, indicando um dia um pouco menor que 22 horas. Desde que temos registros, o dia da Terra vem se alongando, enquanto o número de dias em um ano vem caindo.
Ritmites de maré, como a formação Touchet mostrada aqui, podem nos permitir determinar qual era a taxa de rotação da Terra no passado. Durante o surgimento dos dinossauros, nosso dia estava mais próximo de 23 horas, não 24. Há bilhões de anos atrás, logo após a formação da Lua, um dia estava mais próximo de meras 6 a 8 horas, em vez de 24 . (Crédito: Williamborg/Wikimedia Commons)
Quando extrapolamos para quando o sistema Terra-Lua se formou – e incorporamos as incertezas relacionadas à distribuição de massa no interior da Terra – surge uma imagem surpreendente. Cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, na infância do Sistema Solar, a Terra estava completando uma rotação completa de 360° em apenas 6 a 8 horas. A Lua costumava estar muito mais próxima; nos primeiros ~3,5 bilhões de anos do Sistema Solar, todos os eclipses solares eram totais; eclipses anulares surgiram relativamente recentemente. (E, em outros 620 milhões de anos, todos eles serão anulares a partir de então.) Com uma rotação tão rápida no início do sistema Terra-Lua, haveria mais de 1000 dias em cada ano terrestre, com triplo a quadruplicar o número de pôr-do-sol e nascer do sol em comparação com o que temos agora.
O que não podemos falar sensatamente, no entanto, é como poderia ter sido um dia na proto-Terra antes do grande impacto que causou a formação da Lua. O ano provavelmente foi semelhante, mas não temos como saber com que rapidez nosso planeta estava girando. Não importa quanta informação coletemos, existem alguns pedaços de conhecimento que foram permanentemente apagados pelos eventos danosos de nossa história natural. No Sistema Solar, não importa o quanto esperemos o contrário, só podemos aprender sobre nosso passado a partir das informações incompletas dos sobreviventes.
(Este artigo é reeditado no início de 2021 como parte de uma série de melhores de 2021 que será veiculada da véspera de Natal até o Ano Novo. Boas festas a todos.)
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