I.A.A

GILBERTO C. SANZOVO

UEL/Departamento de Física

PIBID 2/UEL

TERRA

• Mesma idade do SS (4,6 bilhões de anos).

• Origem contração gravitacional da nebulosa primitiva (em rotação) de gás e poeira.

• Estrutura e constituição investigação realizada pelos geofísicos e geólogos.

• Terceiro planeta do Sistema Solar

dTS = 1,0 UA (= 149.600.000 km).

ESTRUTURA DA TERRA

a) Núcleo

parte mais interna do planeta conhecimento obtido por meio da Sismologia

núcleo interno de Fe sólido com uma extensão de ~ 1.300 km, contornado por uma camada líquida de níquel e ferro, com cerca de 2.200 km de espessura fonte do campo magnético terrestre (efeito dínamo)

nas proximidades da superfície campo magnético dipolar

semelhante àquele produzido por ímãs permanentes

mecanismo de dínamo gerado por correntes do núcleo

externo

essas correntes possuem centenas de quilômetros de espessura e se movem à milhares de km/h, na medida em que a Terra gira. Se a Terra girasse mais rápido, o campo magnético seria maior. Do mesmo modo, se o núcleo líquido fosse maior, o campo também o seria!

Campo magnético bipolar próximo à superfície

b) Manto

parece possuir uma espessura de ~ 3.000 km

matéria no estado líquido, com elevadas temperaturas

vulcões expelem suas lavas a partir do manto terrestre

(as lavas são os únicos materiais com os quais temos

contato direto com o interior do planeta)

densidade média de ~ 4 vezes a densidade da água

temperaturas diferenciadas

justificam estado permanente de movimentos que

favorecem a origem dos vulcanismos e outros

fenômenos geológicos como deriva dos

continentes.

possui espessura variável, não excedendo 40 km.

parte sólida da Terra, constituída de rochas e minerais.

c) Crosta

Composição química: ~ 47% O e ~ 28% Si

formações montanhosas, planícies, planaltos, vales

e outras formações orográficas

camada mais externa da Terra.

inicia-se junto à crosta onde a densidade é máxima e vai

decrescendo à medida que afastamos do solo.

limite externo confunde-se com os gases rarefeitos do

Meio Interplanetário.

d) Atmosfera

~ 90% da massa total atmosférica localiza-se nos 20 km

mais próximos do solo (e 99,9 % nos primeiros 50 km).

acima de 100 km 1/1000 da massa total.

acima de 1.000 km ~ 10-13 da massa total.

maior parte dos fenômenos atmosféricos ocorre na baixa

atmosfera (troposfera).

constituição da atmosfera partículas sólidas

+

massas líquidas

+

elementos gasosos

somente em condições especiais os gases combinam-se através de

reações fotoquímicas. Via de regra eles comportam-se como

simples misturas.

Atmosfera Superior gases rarefeitos com elevadas T´s.

plasma concentrando extraordinárias quantidades de energia.

Modelagem dos fenômenos atmosféricos difícil, em face da presença de todos os estados da matéria, das

mudanças de fase, das reações químicas e fotoquímicas, dos distintos

regimes de escoamentos, etc. Todos estes fatores complicam os

prognósticos e diagnósticos dos fenômenos atmosféricos.

Atmosfera terrestre + tênue de todas as camadas da

Terra. Sua massa é ~ 1.000.000 vezes menor que

a massa sólida do Planeta.

Densidade (nível do mar) ~ 1/1.000 daquela apresentada

pelas rochas

Composição dos gases permanentes atmosféricos

N2 78,04%

O2 20,948%

Ar 0,934%

Ne 1,818x10-3 %

He 5,24x10-4 %

CH4 2,00x10-4 %

Kr 1,14x10-4 %

H2 0,5x10-4 %

Xe 0,084x10-4 %

Constituintes atmosféricos variáveis

vapor d´água (H2O) 0 a 7%

dióxido de carbono (CO2) 0,03%

ozônio (O3) 0 a 0,01%

dióxido de enxofre (SO2) 0 a 0,0001%

dióxido de nitrogênio (NO2) 0 a 0,0001%

Importância dos Constituintes Variáveis Atmosféricos

Vapor d´água (H2O)

matéria prima na formação das nuvens.

meio de transporte de calor na atmosfera.

agente termorregulador do efeito estufa (é transparente

à radiação de ondas curtas e eficiente absorvedor

da radiação infravermelha).

Dióxido de carbono (CO2) agente termorregulador (eficiente

absorvedor da radiação infravermelha)

a crescente emissão de CO2 para a atmosfera pode causar um

desequilíbrio climático do globo sobrevivência da

humanidade

Ozônio (O3) pouco abundante nas proximidades da

superfície

abundância aumentou nas últimas décadas em virtude das

atividades industriais e da queima de combustíveis

fósseis nesse caso, passa a ser poluente em

virtude de seu poder oxidante.

Papel relevante para os seres vivos absorve radiação UV solar na

faixa de 240,0 a 320 nm

a incidência dessa radiação provocaria morte de organismos

unicelulares e das células superficiais de plantas e animais.

a radiação UV solar também pode danificar o material

genético (DNA) das células incidência de câncer de pele.

Teoria fotoquímica do Ozônio

O2 + hn (l < 242,3 nm) O + O

[é a fotodissociação do oxigênio. Ocorre à ~ 50 km de altiitude, onde a radiação UV

é quase que totalmente absorvida e a temperatura vale 280 K]

O + O2 + M O3 + M

[essa reação ocorre principalmente entre 15 e 30 km de altitude e exige a presença

do O atômico liberado na primeira reação. A temperatura do meio é de ~220 K, e M é

um catalizador (espécie molecular não-reativa)].

O3 + hn (l < 110,0 nm) O2 + O

[é a reação de fotodissociação do ozônio. Em virtdude da presença suficiente do

oxigênio molecular entre 15 e 30 km. O oxigênio atômico liberado nesta reação

volta a se combinar com o O2 para produzir o ozônio, novamente]

O + O3 + M O2 + O2

[reação que ocorre nos níveis mais elevados da atmosfera e representa a

destruição do ozônio por colisões com o oxigênio atômico].

Ação do Homem Substâncias lançadas na atmosfera Óxido de Nitrogênio (NO) e o cloro (Cl)

NO (liberado em explosões nucleares, aviões supersônicos)

Cl derivado dos clorofluorcarbonos, principalmente o “freon 11”

(CFCl3) e o “freon-12” (CF2Cl2), usados em

“sprays” e em sistemas de refrigeradores,

respectivamente.

Equilíbrio Fotoquímico na camada do ozônio a taxa de

formação é igual à taxa de destruição.

Pelas reações do Ciclo do Ozônio

O3 desempenha importante papel no aquecimento da

alta atmosfera absorção das radiações UV,

visível e IV do EE.

Ao subirem na atmosfera os “freons” são destruídos pela radiação UV e liberam Cl

que destroi o ozônio em reações do tipo

Cl + O3 ClO + O2

ClO + O Cl + O2

ESTRUTURA SOLAR (Cont.)

SOL grande esfera de gás incandescente em cujo núcleo

se processam as reações termonucleares

fonte para o conhecimento que temos de outras estrelas.

PEQUENO “REVIEW” DO SOL

Características Básicas M = 1,989 x 1033g; R = 6,960 x 108 m;

r = 1409 kg/m3; rc = 1,6 x 105 kg/m3;

1,0 UA = 1,496 x 108 km; L = 3,9 x 1033 ergs/s; Tef = 5780 K; Tc = 1,5 x 107 K;

Mbol =+4,72; MV = 4,79; TS = G2 V; (B – V) = 0,62; (U-B) = 0,10;

(Prot)equador = 25 d; (Prot lat = 60o) = 29 d

Composição química: H (91,2%); He (8,7%); O(0,078%), etc.

• ESTRUTURA DO SOL

a) Interior (dividido em camadas) centro até a superfície

conhecimento deduzido da heliossismologia e

dos modelos estelares teóricos

b) Atmosfera conhecimento deduzido diretamente das

observações em vários comprimentos de

onda.

a) Interior núcleo ( ~ 10% da massa do Sol = ¼ do raio)

local onde ocorrem as reações termonucleares ( 4 p 1 He)

T decresce de ~15 até ~ 7 x 106 graus.

camada radiativa da borda do núcleo até ~ 70% do raio

local onde a energia flui sendo absorvida e re-emitida pelos

íons do plasma tempo (~ 100 mil até 1 milhão

anos) T decresce de 7 para 2 x 106 graus).

Camada Convectiva (~ 200.000 km abaixo da superfície)

T decresce para ~ 10.000 oC , local onde se formam íons

hidrogênio, carbono, nitrogênio, oxigênio e ferro, pelo

transporte convectivo.

os movimentos convectivos podem ser visualizados na

superfície através das estruturas granulares (grânulos)

ou “borbulhos”, tais como a fervura da água,

com extensões ~ 1.000 km, em média.

Interface Tacoclina espessura menor que 1% do raio do Sol

“tacoclina”, do grego “thacos” (variação de velocidade

do plasma) local onde se geram os campos magnéticos.

O plasma ascende pelo centro de cada grânulo, perde sua energia para

o exterior e, uma vez resfriado, desce de volta pelas bordas do

grânulo, para o interior, onde se aquece e começa novo

ciclo.

b) Atmosfera região completamente opaca à emissão visível.

Fotosfera ~ 300 km T ~ 6.000 K.

Cromosfera visível em eclipses solares e em ls (óptico,

UV e rádio) ~ 300 a ~ 2.000 km temperatura de

algumas dezenas de milhares de graus.

Região de Transição aumento brusco na temperatura.

Coroa Solar mais extensa, alcança o meio interplanetário

observada com coronógrafos (dispositivos que

bloqueiam o disco simulando eclípses)

observada com raios X (T de vários milhões K).

Campo Magnético e linhas de Força do Campo

B ~ 0,01 T (~ 100 BT)

Em 2004 o BR gerou 8,7x1010 W de energia (usinas hidrelétricas ,

termelétricas e nuclear) para que conseguíssemos obter a energia

liberada pelo Sol em cada segundo teríamos que colocar em

funcionamento todas as usinas brasileiras durante 150 milhões de anos!

• Reações termonucleares no núcleo

em cada segundo, 700 milhões toneladas de H

695 milhões toneladas de He + 5 milhões toneladas de

energia.

• Idade ~ 4,6 bilhões de anos estrela na metade da sua vida útil

[4 m(H) – m(He)]/m(He) = [4 x 1,0078 – 4,0026]/4,0026 = 0,0071 uma

DE = Dmc2 = 0,0071 x 1,989 x 1032 x (2,9979248 x 1010)2 = 1,269 x 1051 ergs

1,269 x 1051 ergs quantidade de energia disponível no “core”

L = 3,8 x 1033 ergs/s a energia disponível pode ser “gasta” em 3,34 x 1017 s!

tempo de vida do Sol 10,5 mil milhões de anos !

ESTRUTURA SOLAR (Cont.)

Cromosfera não é visível uma vez que sua radiação é muito mais

fraca do que a atmosfera

Observação por ocasião dos eclipses. Borda avermelhada em

virtude da emissão da linha Ha (656,3nm) do H.

Espículos (jatos de gás que se elevam a até 10.000 km acima

da borda da cromosfera e duram poucos minutos) visualizadas contra o disco solar, as espículas aparecem

como filamentos escuros; já nas bordas do disco solar

são observadas como labaredas brilhantes.

A temperatura cromosférica varia entre 4.300 (base) a mais de

40.000 K, à 25.000 km de altura.

Provável fonte de aquecimento: campos magnéticos variáveis,

formados na fotosfera e transportados para a coroa por correntes

elétrica, deixando parte de sua energia na cromosfera.

ESTRUTURA SOLAR (Cont.)

Coroa Solar camada mais externa e mais rarefeita da atmosfera

Observação eclipses e coronógrafos

Espectro linhas de emissão produzidas por átomos de Fe, Ni,

Ne e Ca altamente ionizadas elevadas

temperaturas (T ~ 1.000.000 K)

Provável fonte de aquecimento transporte de energia por correntes

elétricas induzidas por campos magnéticos variáveis

Vento Solar fluxo contínuo de partículas que acarretam em uma

perda de massa por parte do Sol de ~ 10-13 Ms ao ano.

O vento solar que atinge a Terra ( ~ 7 prótons/cm3, com v ~ 400

km/s) é capturado pelo campo magnético do nosso

planeta (ver próxima Seção).

Ejeções de Massa Coronal grandes ejeções de massa, associadas

às explosões e proeminências quando atingem a Terra

causam muitos danos (ver próxima Seção).

influência do Sol e sua atividade no ambiente Terra

causa explosões solares e ejeção de massa coronal

RELAÇÕES SOLARES-TERRESTRES

A magnetosfera terrestre aprisiona as partículas do vento

solar que golpeiam a atmosfera da Terra diariamente

Por causa do vento solar a parte diurna da magnetosfera

terrestre é comprimida alcançando, em média 10 RT

ponto subsolar

(em tempos de muita atividade solar 5 RT)

lado oposto (noturno) magnetosfera com cerca de 100 RT

CINTURÕES DE VAN ALLEN

MAGNETOSFERA TERRESTRE DISTORCIDA PELA AÇÃO DO SOL

1958 contador Geiger à bordo de um satélite identificou a

presença de dois cinturões, em forma toroidal, com

partículas aprisionadas em seus interiores.

partículas aprisionadas espiralam, em movimento de

vai-e-vem entre os polos Sul e Norte magnético.

Presença de 2 cinturões:

a) mais interno entre 500 e 13.000 km, composto

de prótons provenientes de raios cósmicos galácticos (e

do Sol) e elétrons menos energéticos.

b) mais externo entre 3 e 6RT , composto de elétrons

muito energéticos.

Polaridade do campo de dipolo magnético terrestre inverte

seu sentido, em média, a cada 250.000 anos

(nos últimos 76.000.000 anos ocorreu cerca de

170 reversões deste tipo)

evidências estudo das marcas deixadas nas placas

tectônicas encontradas no fundo do Oceano

Atlântico

VARIABILIDADE DE BT

Polos magnéticos terrestres movem-se ao longo dos anos

atualmente ártico canadense, com movimento para o

norte e v = 10 km/ano

(Diariamente, ele perambula por várias dezenas de metros, devido à

mudanças nas correntes elétricas no interior da Terra, bem como às correntes

induzidas na ionosfera afetadas pela atividade solar.)

Radiação UV solar responsável pela produção e destruição do O3.

causa catarata, mutações genéticas e câncer.

A CAMADA DE OZÔNIO

A cada 11 anos Sol em atividade máxima (número máximo de

manchas solares) aumento do fluxo de radiação UV aumento,

de 1 a 2% da quantidade de ozônio esse aumento é

comparável àquela diminuição provocada pela ação

do homem.

Conforme vimos, quando a radiação UV de 242 nm interage com

moléculas de oxigênio (O2), estas são dissociadas em dois

átomos de oxigênio que podem recombinar com

novas moléculas de oxigênio para formarem,

novamente o ozônio.

Imagens da NASA sobre buraco na camada de Ozônio

(Antártida)

Partículas energéticas resultantes das EMC´s que conseguem

penetrar na atmosfera pelas regiões polares colidem

com átomos de oxigênio e nitrogênio à ~ 150 km de altura,

excita-os e ao desexcitarem emitem radiação

luminosas

AURORAS POLARES

Oxigênio luz verde e vermelha

Nitrogênio luz azul e rósea

Resultado belo espetáculo visual na forma de névoas multicoloridas

– as auroras (boreal, no H. C. Norte, e austral,

no Hemisfério Celeste Sul)

As auroras são muito frequentes em períodos de máxima

atividade solar

Auroras Boreais: interação das partículas energéticas solares com

átomos e moléculas da atmosfera superior.

Ionosfera camada mais externa da atmosfera da Terra

(início por volta de 80 km)

IONOSFERA E COMUNICAÇÕES DE LONGA DISTÂNCIA

Composta por partículas carregadas, diferentemente

do resto da atmosfera (átomos & moléculas neutras)

formada a partir da ionização dos

constituintes atmosféricos pela radiação UV solar

baixa atmosfera terrestre p & T decrescem com a

altitude

Ionosfera raios X e UV solar revertem essa situação

de modo que são alcançadas altas temperaturas

(~ 80 oC)

Partículas carregadas ionosféricas interagem c/ a

radiação proveniente do espaço ou do próprio planeta,

refletindo-a tal qual um espelho dependência com a

frequência de plasma (densidade de elétrons)

n𝑝= 𝑒2𝑁𝑒

4𝜋2𝜖0𝑚𝑒

OR provenientes do Sol com frequências menores que a frequência

de plasma (acima) são refletidas no topo da atmosfera da Terra

não conseguem penetrar na baixa atmosfera

Ondas de baixa frequência (menores que a frequência de plasma)

são refletidas nas várias camadas da ionosfera podem ser

captadas por receptores no solo

Principais camadas refletoras

Camada D (até 50 km) refletem ondas longas

Camada E (entre 50 km e 150 km) refletem ondas médias

Camada F (entre 150 km e 400 km) refletem ondas curtas

Aviões voam através da Troposfera à menos de 10 km de altitude

Balões Estratosfera (entre 10 e 50 km)

Auroras ocorrem na baixa Ionosfera (entre 80 e 100 km)

Satélites situam-se na Exosfera, à mais de 600 km de altura do solo

Como a Ionosfera depende do fluxo ionizante dos raios UV do Sol,

quando o Sol está ativo, o fluxo UV também aumenta aumenta

ainda mais a temperatura ionosférica

aumento da densidade eletrônica varia a altura com que uma onda

de rádio será refletida de volta para o solo

interrupção momentânea das transmissões onde elas deveriam

ser captadas pelos receptores!!!

Magnetosfera & Atmosfera terrestre proteção contra a

radiação e as partículas energéticas

Magnetosfera desvia a maior parte das partículas do Vento Solar

e das EMC´s

Atmosfera absorve a radiação UV e os raios-X penetrantes.

SATÉLITES & ASTRONAUTAS EM ÓRBITA

E os astronautas que trabalham no espaço e no ISS?

estão sujeitos a desenvolver catarata, câncer de

pele e, até mesmo, receber dose fatal de radiação se

estiverem fora da ISS por ocasião de uma explosão

solar

1.972 astronautas da Apollo escaparam por pouco

de serem atingidos pela radiação de um “burst” solar,

que leva, em média, 8 min para alcançar a Terra

Partículas ejetadas das EMC´s produzem aumento na densidade

eletrônica na ionosfera terrestre gera atritos que podem alterar

órbitas de satélites ou, até mesmo, fazer com que percam

energia e caiam prematuramente.

EMC´s + Vento Solar penetram na atmosfera da Terra pelos

polos e alteram a ionosfera causando interrupções nos sinais de

satélites. As comunicações via rádio também são afetadas

uma vez que a altura onde a OEM reflete é

alterada.

Sociedade Atual muito dependente da tecnologia espacial

(satélites de comunicação, navegação aérea e marítmica,

telefonia, transações financeiras, previsão do tempo,

etc.)

Por todas essas consequências aqui na Terra necessidade

que sejamos capazes de prever quando ocorrerão as EMC´s!

Radiação das explosões 8 min para chegar à Terra

Partículas criadas pelas explosões 1 h (ou menos)

Campos magnéticos associados às EMC´s (p+ e e-) de 1 a 4 dias

Terra bombardeada pela atividade solar correntes induzidas

que afetam as linhas de transmissão, queima transformadores, etc.

Março de 1989 Montreal (CAN) sofreu um apagão de cerca de 9 horas

com o corte no fornecimento de energia elétrica

Nuvem conjunto visível de minúsculas partículas de água líquida

ou de gelo, ou de ambas ao mesmo tempo, em suspensão na

atmosfera

o conjunto também pode conter partículas de água

líquida ou de gelo em maiores dimensões, além de

partículas procedentes (vapores industriais,

fumaças e poeiras)

COSMOCLIMATOLOGIA & AQUECIMENTO

GLOBAL

Condensação do vapor d´água depende da quantidade de vapor

d´água presente na nuvem além dos núcleos de condensação

(partículas em torno das quais o vapor d´água se condensa)

exemplos de núcleos de condensação cloreto de sódio (NaCl),

produtos de combustão (ácido nítrico e

ácido sulfúrico)

Importante sem a presença dos nc´s, não ocorre a formação das

gotículas d´água

Cosmoclimatologia raios cósmicos galácticos são eficientes agentes

que atuam na formação dos nc´s influenciam na formação das

nuvens da baixa atmosfera.

Quando o Sol está em sua atividade máxima a magnetosfera

da Terra (parte diurna voltada para o Sol) se comprime e expulsa

para longe essa ação dos RC´s!

menor cobertura de céu (menor número de

nuvens)

maior aquecimento da superfície da

Terra por parte da radiação solar

contribuição para com o

aquecimento global.