– PDF - Ensino de Astronomia

Universidade Federal do ABC
Ensino de Astronomia UFABC
Michelle Rosa
e-mail: [email protected]
Aula n°5:
Sistema solar:
Terra, Lua e Sol
Forma e Dimensões da Terra
Diâmetro equatorial: 12 756 Km
Diâmetro polar: 12 713 Km
Volume: 1.083.000.000.000 Km³
Massa: 6.000.000.000.000.000.000.000.000 Kg
EXISTEM MAIS DE 30 MILHÕES DE ESPÉCIES
A Terra é o terceiro planeta mais próximo do Sol, o mais
denso; e o quinto maior dos oito planetas do Sistema
Solar.
Planeta Água?
1 – Toda água ( esfera sobre
o Estados Unidos Ocidental
aprox. 1384 km de
diâmetro)
2 – Toda água líquida fresca
em lençóis freáticos, lagos,
pântanos e rios ( esfera
sobre o Kentucky, aprox.
272 km de diâmetro)
3 – Toda água de lagos e
rios de água doce ( esfera
sobre a Georgia, aprox. 56
km de diâmetro)
Atmosfera Terrestre
A vida na Terra
• A temperatura média do planeta é de 15°C,
graças ao efeito estufa. Isso nos garante água
nos 3 estados.
• No planeta Terra temos diversos habitats, para
se ter uma ideia, a maior temperatura
registrada na terra é de 58°C em El Azizia, na
Líbia; e a menor -82,9°C, na estação de
Vostók, Antártida.
Estrutura da Terra
• A gravidade é uma força com que um astro atrai as
coisas para seu centro. Assim, essa força influencia
na disposição dos materiais, organizando-os por sua
densidade.
Estrutura da Terra
• Além da gravidade, outras forças atuam no
centro da Terra, como a pressão, o que
influencia na superfície terrestre causando
terremotos, vulcões e formações geológicas
como cadeias de montanhas e fissuras, e até
para a formação do campo magnético.
Campo Magnético
• O campo magnético nos protege da radiação do universo
e principalmente dos ventos solares.
• Existe uma anomalia magnética que está centralizada em
Santa Catarina, a Anomalia Magnética do Atlântico Sul
Aurora Boreal: Polo norte
Aurora Austral: Polo Sul
Movimentos da Terra
• A Terra, assim como os demais planetas do
sistema solar, está em constante movimento.
• Seus movimentos fazem com que ocorram o
dia e a noite, e determinam as estações do
ano.
• Este fato causa consequências diretas à vida
na Terra.
Rotação
Rotação
• Movimento que a terra faz em torno de seu
próprio eixo.
• Uma volta completa leva um dia.
• Com o passar das horas os astros no céu
nascem no leste e se põem no Oeste, isso é o
reflexo do movimento de rotação da Terra,
que gira do Oeste para o Leste
Rotação
Se pudéssemos observar os astros durante o dia e a noite,
veríamos que alguns nunca se põem, e que eles
descrevem uma circunferência no sentido horário no céu.
Estes astros são chamados circumpolares.
Dia Solar x Dia Sideral
O dia sideral é o tempo que decorre entre duas passagens
sucessivas do ponto vernal no meridiano do lugar, i.e., o tempo
desde que uma estrela está numa posição, dá a volta toda à esfera
celeste, e volta a estar na posição anterior. Isto demora 23:56h.
Decorre do movimento de rotação.
Do mesmo modo, o dia solar é
medido entre duas passagens
sucessivas do Sol nesse mesmo
meridiano e dura 24h00. A
diferença entre o tempo do dia
solar e do sideral deve-se ao fato
de que, ao longo do período que a
terra realiza a rotação, o planeta
continua o seu movimento em
volta do sol –translação -,
movendo-se cerca de 1 grau.
Translação ou Revolução
Órbitas
Lei da Gravitação Universal de Newton: "Dois corpos atraem-se
com força proporcional às suas massas e inversamente
proporcional ao quadrado da distância que separa seus centros
de gravidade."
A primeira lei de Newton que
conhecemos como o princípio da
inércia, nos mostra que um corpo
parado tende a permanecer parado
devido as forças que atuam sobre ele, e
um corpo em movimento tende a
permanecer em movimento, se
nenhuma força estiver atuando sobre
ele.
Translação
• Ao mesmo tempo em que realiza a rotação, a
Terra, faz o movimento de translação.
• O movimento é contínuo em torno do sol, e
descreve uma órbita elíptica.
• Uma volta completa é feita em 365 dias, 5
horas e 48 minutos.
• Devido essas “6h a mais”, a cada 4 anos temos
um ano bissexto, ou seja, um ano com 1 dia a
mais. Fazemos isso para “ajustar” nosso
calendário com a translação da Terra.
Eclíptica
A eclíptica é a projeção sobre a esfera celeste da trajetória
aparente do Sol observada a partir da Terra.
Translação
A consequência mais importante da translação da Terra em torno do
Sol, aliada à inclinação do eixo da Terra em relação ao eixo da eclíptica
(23,5°), é que, ao longo do ano, os raios solares incidem com
intensidades diferentes sobre um determinado local. Isso origina as
grandes zonas climáticas (quentes, temperadas e frias) e a sucessão
das estações (primavera, verão, outono e inverno).
Translação
As estações ocorrem de maneira invertida nos dois
hemisférios: por exemplo, quando em um é verão, no outro é
inverno (e vice-versa). As mudanças de temperatura ficam cada
vez mais nítidas quanto mais nos aproximamos dos polos.
Translação
• A eclíptica é inclinada (por 23,5°) em relação ao equador celeste.
Por causa disso, o Sol fica no hemisfério sul de ~23/9 a ~20/3, e no
norte na outra metade do ano.
• Por isto, de março a setembro ele passa mais alto no céu no
hemisfério sul, causando estações mais quentes (primavera e
verão) e dias mais longos, e o oposto no hemisfério norte (Sol
baixo, estações frias, dias curtos).
Translação
O momento de posição mais austral do Sol, em torno de
21/12, é chamado solstício de verão no hemisfério sul, e
solstício de inverno no norte. O oposto vale para ~21/06,
dia da posição mais pro norte. O Sol cruza o equador
celeste nos equinócios, ~20/03 e ~23/09, quando dia e
noite têm a mesma duração na Terra inteira (tirando os
polos), isto explica o nome equinócios.
A região do Equador recebe
ao longo de todo o ano uma
quantidade de radiação solar
quase constante, por isso
todas as estações são muito
parecidas e em todos os dias
do ano o Sol fica 12 horas
acima do horizonte e 12 horas
abaixo do horizonte; a única
diferença é a máxima altura
que ele atinge.
Translação
• A duração dos dias e noites varia com a época do ano e com a
latitude: Do lado voltado pro Sol, os dias são mais compridos, e
mais perto dos polos, ainda mais compridos.
• Nos polos ocorre o dia polar, respectivamente a noite polar (o
Sol não se põe, e não nasce).
• Anoitecer e amanhecer duram mais tempo perto dos polos.
Lua
• A Lua é o único satélite natural da Terra e o quinto
maior do Sistema Solar
https://www.youtube.com/watch?v=DMdhQsHbWTs
Diâmetro equatorial: 3474,8 Km
Volume: 22.000.000.000 Km³
Massa: 74.000.000.000.000.000.000.000 Kg
Assim como os outros planetas e satélites, a Lua apresenta uma
órbita elíptica.
Afélio: 405.700 Km
Periélio: 363.100 km
Lua
• Apogeu: ponto mais distante da órbita da Lua.
• Perigeu: ponto mais próximo da órbita da Lua.
As fases da Lua
À medida que a Lua viaja ao redor da Terra ao longo do
mês, ela passa por um ciclo de fases, durante o qual sua
forma parece variar gradualmente. O ciclo completo dura
29 dias 12 horas, 44 segundos e 2,9 segundos
As fases da Lua
Acredita-se que o grego Anaxágoras (˜ 430 a.C.), já conhecia sua causa, e
Aristóteles (384 - 322 a.C.) registrou a explicação correta do fenômeno: as
fases da Lua resultam do fato de que ela não é um corpo luminoso, e sim
um corpo iluminado pela luz do Sol.
A face iluminada da Lua é aquela
que está voltada para o Sol.
A fase da Lua representa o quanto
dessa face iluminada pelo Sol está
voltada também para a Terra.
Tradicionalmente apenas as quatro
fases mais características do ciclo Lua Nova, Quarto-Crescente, Lua
Cheia e Quarto-Minguante recebem nomes.
A fase da Lua é definida em termos
do número de dias decorridos
desde a Lua Nova (de 0 a 29,5) e
em termos da fração iluminada da
face visível (0 a 100%).
Lua Nova
A Lua Nova acontece quando a face visível
da Lua não recebe luz do Sol, pois os dois
astros estão na mesma direção. Nessa fase,
a Lua está no céu durante o dia, nascendo
aproximadamente às 06h00 e se pondo
aproximadamente junto com o Sol às 18h00.
Durante os dias subsequentes, a Lua vai ficando cada vez mais a leste
do Sol e, portanto, a face visível vai ficando crescentemente mais
iluminada a partir da borda que aponta para o oeste, até que
aproximadamente 1 semana depois temos o Quarto-Crescente, com
50% da face iluminada.
Somente nessa fase ocorrem eclipses solares.
Lua Quarto-Crescente
A Lua tem a forma de um semi-círculo
com a parte iluminada voltada para o
oeste. Lua e Sol, vistos da Terra, estão
separados de aproximadamente 90°.
A Lua nasce aproximadamente ao
meio-dia e se põe aproximadamente à
meia-noite.
Após esse dia, a fração iluminada da face visível continua a crescer
pelo lado voltado para o oeste, até que atinge a fase Cheia.
Lua Cheia
Na fase cheia 100% da face visível está
iluminada. A Lua está no céu durante
toda a noite, nasce aproximadamente
às 18h00 quando o Sol se põe, e se põe
no nascer do Sol, aproximadamente às
06h00. Lua e Sol, vistos da Terra, estão
em direções opostas, separados de aproximadamente 180°, ou
12h.
Nos dias subsequentes a porção da face iluminada passa a ficar
cada vez menor à medida que a Lua fica cada vez mais a oeste do
Sol; o disco lunar vai dia a dia perdendo um pedaço maior da sua
borda voltada para o oeste. Aproximadamente 7 dias depois, a
fração iluminada já se reduziu a 50%, e temos o Quarto-Minguante.
Somente nessa fase ocorrem eclipses lunares.
Lua Quarto-Minguante
A Lua está aproximadamente
90° a oeste do Sol, e tem a
forma de um semi-círculo com
a parte iluminada voltada para
o leste.
A Lua nasce aproximadamente à meia-noite e se põe
aproximadamente ao meio-dia. Nos dias subsequentes a Lua
continua a minguar, até atingir o dia 0 do novo ciclo.
https://pt.khanacademy.org/partner-content/nasa/measuringuniverse/spacemath1/p/animatephases-of-the-moon
The Dark Side of the Moon
The lunar farside as never seen
before! LROC WAC orthographic
projection centered at 180°
longitude, 0° latitude. Credit:
NASA/Goddard/Arizona State
University. - 2011
O Lado oculto da Lua
A duração do período de rotação da
Lua é igual ao do período de translação
(27,3 dias) e, consequentemente, a Lua
tem uma face sempre voltada para a
Terra e outra que não é visível do nosso
planeta: a face oculta da Lua.
A imagem ao lado foi tirada pela sonda de
reconhecimento lunar da NASA em 2011, mas
a primeira observação por satélite ocorreu em 1959.
Rotação e translação demoram o mesmo tempo para serem
completadas, porque, ao longo de bilhões de anos, a interação
gravitacional entre a Terra e a Lua forçou essa sincronização. É o
chamado acoplamento de maré.
Six orthographic views of the
Moon created from the new
WAC global mosaic. From
upper left to lower right the
central longitude is 0°, 60°,
120°, 180°, 240°, 300°. Credit:
NASA/Goddard/Arizona State
University.
Mês Sideral x Mês Sinódico
A Lua faz uma volta de 27.32 dias, chamado mês
sideral em relação às estrelas fixas. Já que, neste
tempo, o Sol avança um pouco no céu, a Lua leva
29,53 dias, chamado mês sinódico, para
alcançar a mesma
posição
em
relação ao Sol,
que também é o
tempo entre duas
luas cheias.
Efeito das Marés
Marés são as alterações do nível das águas do mar causadas
pela interferência gravitacional da Lua e do Sol (esta última com
menor intensidade, devido à distância) sobre o campo
gravitacional da Terra.
Efeito das Marés
https://www.youtube.com/watch?v=k6Gqmkcosm0
Efeito das Marés
Por causa da rotação da Terra e da revolução da Lua, estas
elevações se propagam pela superfície da Terra, causanda marés
altas a cada 12 horas e 25 minutos, e marés baixas entre as marés
altas.
As marés também acontecem com a crosta da Terra, elevando o
chão por 10 cm durante maré alta.
Efeito das Marés
• Quando Terra, Lua e Sol
estão alinhados, o Sol
amplifica as forças da Lua
sobre a Terra, causando
marés extra altas e baixas,
chamadas
de
sizígia
(alinhamento) ou vivas.
• Durante
os
quartos
crescente e minguante, as
forças são menores, e
causam as marés de
quadratura, ou mortas.
Efeito das Marés
• As marés se propagando pela Terra causam forças
de fricção, que freiam a rotação da Terra, tal que
a duração de um dia aumenta por 0.0016 s cada
século.
• O momento angular perdido pela Terra é
transferido pra Lua, aumentando a órbita desta,
tal que ela se afasta da Terra por 3 a 4 cm cada
ano, e a duração do mês aumenta (mas a uma
taxa menor que a rotação da Terra).
Efeito das Marés
• O efeito das marés é recíproco entre a Terra e a Lua. Como
a Terra possui uma massa maior que a massa da Lua, ela
causa uma força de maré muito maior na mesma. É muito
provável que a sincronização dos períodos de rotação e
translação da Lua tenham ocorrido devido a esse efeito.
• Por outro lado, isso implica que a interação entre esses dois
corpos faz com que a velocidade de rotação da Terra
diminua, aumentado a duração de um dia por 0,0016s a
cada século, e consequentemente a distância entre a Terra
e a Lua aumentam a uma taxa de 4 cm/ano por causa da
conservação do momento angular.
Efeito das Marés
Teoricamente, isto continua até que a rotação da Terra e a
revolução da Lua estejam sincronizadas. A chamada
ressonância dos períodos.
Naquele momento, a
Terra ficará sempre
com o mesmo lado
voltado pra Lua. Visto
da Terra, a Lua ficará
sempre na mesma
posição no céu.
O dia e o mês durarão o mesmo tempo de 47 dias atuais.
Precessão do eixo da Terra
Outro efeito causado pelo Sol e pela Lua além das forças de maré, é o
movimento de precessão do eixo da Terra, que se assemelha ao
movimento de precessão de um pião.
A Terra não é perfeitamente esférica, mas sim achatada nos pólos, além
disso, o plano do equador terrestre está inclinado 23,5° com o plano da
eclíptica, por causa disso, as forças gravitacionais da Lua e do Sol
produzem um torque que tende a alinhar o eixo de rotação da Terra
com o eixo da eclíptica, mas como
esse torque é perpendicular ao
momento angular de rotação da
Terra, seu efeito é mudar a
direção do eixo de rotação, sem
alterar sua inclinação.
Precessão do eixo da Terra
Por causa disso, os pólos celestes¹ não ocupam uma posição fixa
no céu: cada pólo celeste se move lentamente em torno do
respectivo pólo da eclíptica, descrevendo uma circunferência em
torno dele com raio de 23,5°. O tempo necessário para descrever
uma volta completa é 25 770 anos.
Atualmente o Pólo Celeste Norte
está nas proximidades da estrela
Polar, na constelação da Ursa
Menor, mas isso não será sempre
assim. Daqui a cerca de 13000
anos ele estará nas proximidades
da estrela Vega, na constelação
de Lira.
Caminho aparente do Polo
Norte
celeste no céu
Polo Celeste
Polos celestes são pontos imaginários onde o eixo de rotação da
Terra intercepta a esfera celeste. Polo sul celeste é a projeção
do polo sul geográfico sobre a esfera celeste. De modo
complementar, polo norte celeste é a projeção do polo norte
geográfico sobre a esfera celeste.
Distancia média da Terra: 149.600.000 KM
Diâmetro equatorial: 1.391.400 km
Massa: 1,98892 × 1030 quilogramas - 332 900 x Terra
Volume: 1,412 × 1018 km3 - 1 300 000 × Terra
Sol
• O diâmetro do Sol é de cerca de 1 400
000 km. O diâmetro da Lua é aprox.
3500 km. Portanto, o diâmetro solar
vale cerca de 400 vezes o diâmetro
lunar. Mas o Sol também está cerca de
400 vezes mais longe de nós do que a
Lua.
• Desta coincidência espantosa resulta o
fato de ambos os astros, vistos da Terra,
apresentarem o mesmo tamanho
aparente.
Sol
O diâmetro aparente do Sol e da Lua variam ligeiramente no decorrer
do ano, em resultado da forma elíptica da órbita da Terra em relação
ao Sol e da órbita elíptica da Lua em relação à Terra.
Estas pequenas variações nas distâncias Terra-Lua e Terra-Sol vão
traduzir-se por diferenças nos diâmetros aparentes com que, da Terra,
vemos a Lua (variação de 14% do seu diâmetro aparente), e o Sol
(variação de 3,3%). Se um eclipse do Sol ocorrer com a Lua no apogeu
(ou quase no apogeu), ela vai
aparecer mais pequena e não
conseguirá ocultar totalmente o
Sol, mesmo que (para o
observador terrestre) ela passe
centrada com o Sol.
Eclipses
Um eclipse é um evento astronômico que acontece quando um
objeto celeste se move para a sombra de outro.
Eclipses Solares
Os eclipses solares ocorrem quando a Lua, em seu movimento de translação
em torno da Terra, passa à frente do Sol e cobre a luz, projetando um cone
de sombra sobre a superfície terrestre.
Nos locais que ficam essa sombra observa-se o eclipse total. A seu redor,
onde existe uma zona de penumbra, o disco solar é parcialmente visível.
Desta forma, nessa região, observa-se um eclipse parcial. Um eclipse do Sol
só é visto no mesmo local da Terra a cada 360 anos (em média).
Eclipse Híbrido
Um caso especial é o eclipse híbrido, um eclipse que é anelar por
parte da sua duração, e total por outra parte.
Condição de ocorrência de um
eclipse total 'híbrido'. A trajetória
de totalidade ocorre de A para B.
Em A o eclipse é anular porque o
ângulo aparente da Lua é menor
do que do Sol. Em B, a Lua está
'mais próxima' e, seu diâmetro
aparente é suficiente para cobrir o
Sol, causando um eclipse total.
Eclipses Lunares
Os eclipses lunares ocorrem quando a Terra se posiciona entre a
Lua e o Sol. Nessas condições a sombra da Terra cobre
totalmente a Lua que, por não ter luz própria, perde seu brilho e
deixa de ser vista. Os eclipses são totais ou parciais dependendo
do quanto a Lua penetra no cone de sombra produzido pela
Terra.
Os eclipses lunares são menos frequentes do que os solares, mas
quando ocorrem são visíveis em grandes extensões do planeta Terra.
https://pt.wikipedia.org/wiki/Eclipse_lunar#/media/File:Moon_eclipse.gif
Sol
Vimos que o efeito das Marés causa um aumento da
distância entre a Terra e a Lua com o passar do tempo.
Uma das consequências é que no futuro não teremos
mais eclipses solares totais
Referências
•
USGS
–
•
FESPMG
–
•
http://water.usgs.gov/edu/earthhowmuch.html
http://www.fespmg.edu.br/galeria-de-imagens/apogeu-e-perigeu-da-lua
UFRGS
–
https://www.if.ufrgs.br/~lang/Textos/Fases_da_Lua_bebes.pdf
•
– http://www.if.ufrgs.br/cref/?area=questions&id=486
– http://www.if.ufrgs.br/cref/?area=questions&id=418
NASA – nasa.gov/sun
– Nasa.gov/moon
– https://www.nasa.gov/topics/earth/index.html
•
Khan Academy
•
– https://pt.khanacademy.org/science/physics/centripetal-force-and-gravitation/centripetalacceleration-tutoria/v/centripetal-force-and-acceleration-intuition
– https://pt.khanacademy.org/partnercontent/nasa/measuringuniverse/spacemath1/p/animate-phases-of-the-moon
Slides e aulas dos anos anteriores e curso de “ noções de Astrofísica e Cosmologia” por Pieter
Westera
Teste
1. Qual movimento da Terra causa o dia e a noite?
a) Rotação
b) Translação
c) Revolução
2. Qual movimento da Terra causa a mudança de estações
durante o ano?
a) Rotação
b) Translação
c) Precessão do eixo da Terra
Teste
3. A lua interage com a Terra. Um dos efeitos dessa interação é:
a) Efeito das Marés altas e baixa
b) Estações do Ano
c) Dias e noites
4. Sobre as estações do ano, é correto afirmar:
a)
Que a lua tem grande papel neste fenômeno, pois as fases
influenciam diretamente na temperatura terrestre
b) O sol é responsável pelas estações do ano, pois quando a terra está
mais próxima à ele é verão e no ponto mais longe é o inverno
c) A inclinação do eixo da Terra em relação ao eixo da eclíptica, aliada a
revolução da Terra são as principais causas das estações do ano.