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1 - O Universo e a Terra Prof. Dr. Ricardo Roberto Plaza Teixeira – IFSP-Caraguatatuba - 2015 Apostila 1 – Disciplina: História da Ciência e da Tecnologia (HCT) O Big Bang ocorreu a cerca de 13,7 bilhões de anos. Esta é a idade aproximada do Universo! Portanto o universo COM CERTEZA NÃO tem apenas cerca de 6 mil anos! Após milhões de anos Hidrogênio Estrelas Nebulosas Formação de corpos celestes Experiência / Analogia: A Expansão do Universo Hubble e a Expansão do Universo Até o início do século XX dominava a idéia de que o universo era fixo e imóvel. O golpe mortal na crença de um universo imóvel foi dado pelo famoso astrônomo inglês Edwin Hubble (1889 - 1953). Hubble observou que as galáxias (grandes aglomerados de estrelas) não ficavam paradas no céu, elas estavam se afastando de nós com velocidade proporcional à distância. Quanto mais longe a galáxia, maior a velocidade. O universo está se EXPANDINDO! Hubble chegou a essa conclusão utilizando-se da lei do efeito Doppler. Em 1927, foram encontradas soluções para as equações da relatividade, que indicavam que o universo estaria se expandindo. Mas se o universo está se expandindo, então, olhando para o futuro, daqui a milhões de anos as galáxias estarão mais longe umas das outras e o universo será maior. E olhando para o passado, para milhões de anos atrás, veremos o contrário: as galáxias mais e mais próximas entre si e o universo cada vez menor, até se chegar a um ponto em que todas as galáxias e estrelas se amontoam e a distância entre elas se torna infinitesimal. Esse ponto foi justamente onde o universo teve origem! O padre jesuíta Georges Lemaitre (1894-1966), foi o primeiro a sugerir a idéia de que o universo começou com explosão. A Teoria do Big Bang foi proposta em 1948 pelo cientista russo naturalizado norte-americano George Gamow (1904-1968). Um crítico que não concordava com a teoria, ironicamente apelidou de Big Bang (“Grande Bum”) aquela idéia “maluca” de explosão, mas a expressão pegou! Na verdade o Big Bang não foi uma Grande Explosão, mas uma Grande Expansão (Criação de espaço)! O Universo formou-se há cerca de 13,7 bilhões de anos, a partir de uma concentração de matéria e energia extremamente densa e quente. Há um instante-limite em que a distância entre as partículas do Universo seria zero e a temperatura infinita. Nesse momento, o instante zero do Big Bang, iniciou-se a expansão do Universo, verificada até hoje. Nos momentos seguintes após a explosão, o universo nascente foi se expandindo numa velocidade violenta. O universo se expande ~ 5% a cada bilhão de anos! Formação de mais espaço: Pode-se dizer que o Big Bang é um processo de criação de espaço. Um exemplo disso são as galáxias que se afastam cada vez mais a medida que mais espaço é criado entre elas. Distribuição uniforme da matéria: As partículas da matéria vão se descompactando e se distanciando umas das outras e preenchendo uniformemente todo o espaço Queda rápida e contínua da temperatura: Os astrofísicos calculam que a temperatura cai para a metade cada vez que o universo dobra de tamanho. - Uma evidência do Big Bang surgiu em 1965 com a descoberta por Arno Penzias (1933-) e Robert Wilson (1936-) de um traço da radiação deixada para trás no momento da grande explosão cósmica: um ruído que recebe o nome de radiação de fundo cósmica de ~2,7K. Ele é a energia térmica residual do Big Bang. - Stephen Hawking: Percebemos a insignificância do nosso próprio planeta na vastidão do universo e descobrimos que o tempo e o espaço são curvos e inseparáveis, que o universo está se expandindo e que teve um começo. Vamos ver o que ocorreu em alguns intervalos de tempo sucessivos ao da criação do tempo. Entre Zero (Big Bang) e 10-43 s após o Big Bang – Neste diminuto porém importante período pouca coisa conhecemos, pois as leis da física, como as conhecemos, não valiam – No 10-43 s, a temperatura do universo é cerca de 1023 K e o universo se expande rapidamente Obs: 10-43 s=0,000000000000000000000000000000000000000001 s - Até 1 milionésimo de segundo, o universo é uma mistura de partículas subatômicas (quarks, elétrons etc.) com velocidades próximas à da luz. A partir desse momento, os quarks deixam de existir como partículas livres e se associam para formar prótons e nêutrons. -- Entre 3 e 20 min de idade ocorre a nucleossíntese primordial, quando os prótons e nêutrons se fundem para formar os núcleos leves , como o hidrogênio (~75%) e o hélio (~25%), os dois principais elementos. - Cerca de 300 mil anos depois, com a união dos elétrons aos núcleos, a luz passa a caminhar livremente, a matéria e a radiação luminosa se separam e o Universo fica transparente. - Aproximadamente um bilhão de anos depois, a matéria agrega-se para formar as primeiras galáxias. Perguntas Frequentes sobre a Expansão do Universo • Onde é o centro do Universo? • Onde ocorreu o Big Bang no Universo? • Há a expansão da Terra com o Universo? • O que existe fora do Universo? • O que existia antes do Big Bang? • Se o Universo tem 14 bilhões de anos de idade como poderiam as galáxias ter viajado mais de 14 bilhões de anos-luz? Onde é o centro do Universo? Não há nenhum centro do universo porque não há nenhuma borda do universo. Em um universo finito, o espaço é curvado de modo que você poderia viajar bilhões de anos-luz em uma linha reta e eventualmente você terminaria onde você começou. É também possível que nosso universo seja infinito. Um exemplo de um universo muito pequeno que contem somente 48 estrelas. Uma nave espacial voando entre estas estrelas não pode encontrar a borda deste universo. Se sair em um lado do universo reentrará no outro lado. As pessoas na nave espacial vêem um número infinito de estrelas ao redor dela. Este universo não tem nenhum limite e nenhum centro. Onde ocorreu o Big Bang no Universo? Há uma suposição comum que o Big Bang foi uma explosão que ocorreu no espaço vazio e que a explosão expandiu no espaço vazio. Isto é errado. O espaço e o tempo foram criados no Big Bang. No começo do universo o espaço era preenchido completamente com a matéria. A matéria estava originalmente muito quente e muito densa e então expandiu e esfriou para eventualmente produzir as estrelas e as galáxias que nós vemos no universo hoje. Não há nenhum centro da expansão, o universo está expandindo simplesmente em todos os pontos. Os observadores em todas as galáxia vêem a maioria das outras galáxias no universo que movem-se afastando-se delas. A única resposta a pergunta "Onde aconteceu o Big Bang" é que isso ocorreu em toda parte do universo. Há a expansão da Terra com o Universo? A terra não está expandindo e nem o sistema solar, nem a Via-Láctea. Estes objetos foram formados sob a influência da gravidade. A gravidade prende também as galáxias junto em grupos e em aglomerados. É principalmente os grupos e os aglomerados de galáxias que estão movendo-se no universo. O que existe fora do Universo? O espaço foi criado no Big Bang. Nosso universo não tem nenhum borda ou limite - não há nenhuma ' parte externa ' de nosso universo que é finito mas ilimitado. É possível que nosso universo seja parte de uma infinidade de universos! O que existiu antes do Big Bang? O tempo foi criado no Big Bang – portanto não existia “ANTES DO BIG BANG” pois não havia o tempo! Algumas teorias sugerem que nosso universo é parte de uma infinidade de universos (chamados “multiversos”) que estão sendo criados continuamente. Isto é possível mas não há nenhuma evidência experimental disto. E será muito difícil provar isto! É provável que nosso universo sempre esteve preenchido com a matéria em toda parte desde o Big Bang. Há também a evidência de que no início o universo pode ter expandido muito mais rapidamente do que avelocidade de luz. É possível inflar o espaço de modo que embora as partículas não estejam viajando rapidamente, o espaço entre partículas aumente enormemente. Se o Universo tem cerca de 14 bilhões de anos de idade como poderiam as galáxias ter viajado mais de 14 bilhões de anos-luz? Nós podemos imaginar que as galáxias são esferas que são colocadas em uma folha de borracha que represente o espaço. Se nós esticarmos a folha, as esferas movem-se para os lado. As esferas que estão próximas mover-se-ão lentamente. As esferas que estão muito separadas parecerão mover-se muito rapidamente. Não há nenhum limite de quão rapidamente o espaço pode expandir-se. Questão para o futuro da pesquisa em cosmologia: Os dados experimentais indicam que a expansão do universo está se acelerando e não sendo freiada (como deveria se esperar pela atração da gravidade). Deve existir portanto alguma força de repulsão que se contrapõe à gravidade, superando-a. A energia escura é a causa desta espécie de anti-gravidade. Os dados atuais indicam que só 4% do universo é constituído pela matéria que conhecemos (chamada de bariônica, pois é constituída de bárions, como prótons e nêutrons)! 23% do universo é constituído de matéria escura (não-bariônica, não emitindo nem refletindo a luz e que só interage gravitacionalmente) e 73% do universo é energia escura. O Acelerador de Partículas LHC Em 2010 o acelerador de partículas (Grande colisor de Hádrons = LHC) que foi construído a partir do CERN (Centro Europeu de Investigação Nuclear) em Genebra/Suiça conseguiu criar uma explosão que simula (de certo modo) o Big Bang. O Brasil é um dos países com equipe de pesquisadores trabalhando no LHC. Via Láctea A Via Láctea (a galáxia em espiral onde está localizado o Sistema Solar da Terra – o sol é só um “pontinho” de luz na periferia dela) é uma estrutura constituída por cerca de duzentos bilhões de estrelas. Sua idade está calculada em cerca de treze bilhões de anos. A galáxia mais próxima da Via Láctea é Andrômeda que está situada há 2 milhões de anos luz (obs: há pelo menos centenas de bilhões de galáxias) VIA LÁCTEA: LOCALIZAÇÃO DO SOL SOL CENTRO DA VIA LÁCTEA A Via Láctea é uma das Galáxias do Universo O SISTEMA SOLAR E O TAMANHO DOS PLANETAS NA PROPORÇÃO CORRETA Ao lado: Comparação entre os tamanhos dos quatro planetas interiores: Mercúrio, Vênus, Terra e Marte FORMAÇÃO DO SISTEMA SOLAR O SOL FOI FORMADO HÁ 5 BILHÕES DE ANOS. Há 4,5 bilhões de anos teve início a formação do sistema solar a partir de uma nuvem de gás e pó que entrou em colapso em virtude de seu próprio peso e que, devido a seu movimento de rotação, formou um disco ao redor do Sol A formação do Sol: fusão de núcleos de átomos de Hidrogênio formando núcleos de átomos de Hélio O destino das estrelas • As grandes estrelas quando implodem formam as estrelas de nêutrons e buracos negros. • As estrelas pequenas como nosso Sol formam no final do processo uma estrela anã que não emitirá calor suficiente para nosso planeta UM DISCO EM ROTAÇÃO O movimento de rotação do sistema solar primitivo prosseguiu, e a matéria sólida presente no disco começou a aglomerar-se. No sistema solar exterior, formaram-se quatro grandes massas que deram origem aos planetas gigantes gasosos (feitos de Hidrogênio). Mais próximos do Sol formaram-se os quatro planetas rochosos ou terrestres. Os planetas giram ao redor do sol em órbitas elípticas (circunferências levemente excêntricas). ASSIM COMO OS DEMAIS PLANETAS DO SISTEMA SOLAR, O PLANETA TERRA ORIGINOU-SE PELA AÇÃO DA FORÇA GRAVITACIONAL QUE CONDENSOU DIVERSOS MATERIAIS PREEXISTENTES NO ESPAÇO. TAIS MATERIAIS FORAM CONSTITUÍDOS DE PARTÍCULAS COMO POEIRA CÓSMICA E GÁS. MUITOS ELEMENTOS QUÍMICOS ENTRARAM NESTA COMPOSIÇÃO. Planetas parecem estrelas no céu Características dos Planetas Rochosos Gasosos Mer Vên Júp Sat Ter Mar Ura Net Composição básica Rochoso Gás/líq/gelo Dist. orbital média (Terra=1) 0,39 - 1,52 5,2 - 30,1 Temperatura superf. média -70 a +500 oC -200 a -100 oC Massa (Terra=1) 0,055 - 1,0 14,5 - 318 Raio equatorial (Terra=1) 0,38 - 1.0 3,88 - 11,2 Densidade média (g/cm3) 3,95 - 5,52 0,69 - 1,64 Período de rotação (equador) 23,9h - 243 d 9,8 - 19,2 h Satélites conhecidos 0 - 2 dezenas Sistema de anéis não sim Mercúrio 4872 km 5,43 g/cm3 250 °C Rochoso Vênus 12104 km 5,25 g/cm3 447 °C Rochoso Terra 12756 km 5,52 g/cm3 22 °C Rochoso Marte 6787 km 3,94 g/cm3 - 70 °C Rochoso Júpiter 142800 km 1,33 g/cm3 - 150 °C Gasoso Saturno 120536 km 0,75 g/cm3 - 180 °C Gasoso Urano 51800 km 1,29 g/cm3 - 210 °C Gasoso Netuno 49528 km 1,71 g/cm3 - 213 °C Gasoso Planeta Anão Plutão 2351 km 2,03 g/cm3 - 233 °C Rochoso Planeta Diâmetro Densidade Média Temp. Méd. Composição Mercúrio 59 dias 88 dias 57,9 milhões km 7° Vênus 243 dias 225 dias 108,2 milhões km - 2° Terra 23h 56min 365,25 dias 49,6 milhões km 23° 27’ Marte 24h37min 687 dias 227,9 milhões km 25° Júpiter 09h55min 12 anos 778,3 milhões km 3° 05’ Saturno 10h13min 30 anos 1,42 bilhões km 26° 44’ Urano 17h18min 84 anos 2,9 bilhões km 98° Netuno 16h03min 165 anos 4,5 bilhões km 28° 48’ Planeta Anão Plutão 6,38 dias 248 anos 5,9 bilhões km 120 ° Planeta Rotação Translação Dist. Méd. Sol Inclinação Obliquidade Mercúrio - Planeta mais próximo do sol - Duração do ano: 88 dt - Duração do dia: 59 dt dt= 1 dia terrestre de 24 horas Vênus -Visto da Terra é o corpo celeste mais brilhante depois do Sol e da Lua (estrela Dalva/ da manhã) -Planeta mais quente do nosso sistema - Efeito estufa: atmosfera densa de CO2 (96,5%) ~ 93 vezes a pressão atmosférica Terrestre - O dia é maior que o ano! - Duração do dia: 243 dt (com rotação retrógrada) - Duração do ano: 225 dt dt= 1 dia terrestre de 24 horas Lua – Satélite natural da Terra - Origem: colisional ~3475 km de diâmetro (um quarto do diâmetro da Terra) - Rotação e Translação síncronas: sempre vemos a mesma face da Lua! -Tempo de translação em torno da terra= Tempo de rotação em torno do eixo ~ 27 dias e 8 horas -Fases: crescente, cheia, minguante, nova - A Lua com o tempo está se afastando da Terra e rotacionando mais lentamente -Atmosfera: não tem Lua Marte - Planeta “enferrujado” – presença de óxido de Ferro (Planeta semelhante a Terra). No nosso céu: estrela vermelha -Dia: 24h37min -Ano: 687 dias terrestres -Atmosfera rarefeita com 95 % CO2 (~1% da pressão atmosférica terrestre) - Maior vulcão : tem 25 km de altura (Monte Olimpo) - 2 satélites: Fobos (25 km) e Deimos (15 km) - Calotas polares (com dióxido de carbono gelado) - Tempestades de areia A superfície de Marte A superfície de Marte A superfície de Marte Júpiter - Composição: Hidrogênio (~90%) e Hélio- Rotação rápida ~ 10 horas - Maior planeta do nosso sistema - 64 luas – as 4 maiores são: Io: vulcões ativos Europa: possibilidade de vida Calisto: pode ter oceano e vida também Ganimedes: maior satélite do sistema solar (diâmetro ~ 5262 km); maior que Mercúrio - Tem um sistema tênue de anéis - Grande Mancha Vermelha: Furacão/Tempestade (maior que a Terra) 4 grandes satélites de Júpiter: Io, Europa, Ganimedes e Calisto (descobertos por Galileu em 1610 com uso do telescópio) Io: satélite de Júpiter (tem Vulcões!) Europa: Satélite de Júpiter. Possibilidade de ter vida! Há um oceano coberto por uma capa de gelo. Saturno - Composição: Hidrogênio (97%) e Hélio -Planeta mais distante visível a olho nu ~ 30 luas -Titã: lua com atmosfera (diâmetro ~ 5150 km) -Encélado: lua com possibilidade de vida -Anéis: gelo + poeira + rochas (observados por Galileu em 1610) - Segundo maior planeta de nosso sistema Titã: O maior satélite de Saturno – o único com atmosfera; tem lagos de metano (com moléculas orgânicas) Encélado: Satélite de Saturno. Possibilidade de Vida! Há geisers de água salgada eclodindo sob a calota de gelo do Polo Sul. Urano - Composição: Hidrogênio (83%), Hélio, Amônia, Metano - Descoberto em 1781 (por telescópio) - 1977 : descobertos anéis - 27 luas - Maior satélite (ou lua): Titânia (diâmetro ~ 1578 km) Netuno - Composição: Hidrogênio (~84%), Hélio, Nitrogênio - Planeta gêmeo de Urano -Descoberto em 1846 por telescópio a partir de previsões matemáticas baseadas em perturbações sobre a órbita de Urano -Tem também uma Grande Mancha Escura - Tem anéis (descobertos em 1984) -Coloração azul -13 luas -Maior satélite: Triton (diâmetro ~ 2707 km) Plutão – Planeta Anão - Descoberto em 1930 - Pertence ao Cinturão de Kuiper - diâmetro de 2300 km (menor que a Lua) - Distância do sol: ~ 6 Bi km - translação: 248 anos - Caronte: lua de Plutão - Desde 2006 é considerado um planeta anão (ou planetóide) Terra: 4,5 bilhões de anos A terra é um dos 8 planetas que giram em torno do sol; e o sol é uma das cerca de 200 bilhões de estrelas na via láctea, a nossa galáxia. A via láctea faz parte de um aglomerado de galáxias, conhecido como grupo local. Dos 6.300 km que separam a superfície da Terra do seu centro, só conseguimos perfurar cerca de 14 km. Idade da Terra Cálculos para determinação da Idade da Terra usam: estratigrafia (estudo dos estratos ou faixas geológicos); fósseis; meteoros, datação isotópica (elementos radioativos). As mais antigas rochas encontradas até hoje datam de 3,8 bilhões de anos. Isso implica que a Terra se formou antes disso, pois nessa época a Terra já havia se solidificado. Da análises de meteoritos, foi concluído que há 4,5 bilhões de anos se formaram os primeiros corpos do sistema solar. Em qualquer sucessão de camadas não perturbadas, cada camada é mais nova que a situada abaixo e mais velha que a situada acima, assim, as camadas mais novas estarão no topo e as mais velhas na base. Estratos Camadas geológicas As camadas sedimentares em um local contêm fósseis em uma seqüência definida; e esta mesma seqüência pode ser encontrada em rochas de outros locais. • Na periodização histórica da Terra, os segmentos de maior duração são denominados eras geológicas. História da Terra → Tempo Geológico Eras Geológicas (B.A.=Bilhões de anos atrás; M.A.=Milhões de anos atrás) Azóica – sem vida Arqueozóica – vida arcaica Proterozóica – vida elementar multicelular Primeiros vertebrados (~ 545 M.A – 250 M.A.) Era dos répteis (~ 250 M.A. – 65 M.A.) Era dos mamíferos (~ 65 M.A. – Hoje) Mapa do Mundo: principais cadeias de montanhas James Hutton (Geólogo escocês; 1726-1797): a Terra é dinâmica internamente e se encontra em permanente mutação. Foi o pioneiro da teoria que propõe para a Terra uma longa história de desenvolvimento e mudanças ao longo de bilhões de anos. A Terra, embora sólida, é dinâmica em virtude do calor interno sendo esta a explicação para a formação das rochas ígneas e das metamórficas, assim como para a formação de montanhas. Charles Lyell (1797-1875) primeiramente publicou seu famoso livro, "Princípios da Geologia", em 1830 e continuou a publicar revisões novas até sua morte em 1875. Promoveu com sucesso a teoria segundo a qual os processos geológicos lentos ocorreram durante toda a historia da Terra, e ocorrem ainda hoje. TEORIA DA DERIVA CONTINENTAL proposta por Alfred Wegener (1880- 1930) em 1912 Os continentes atuais formavam no passado um único continente (PANGÉIA) e um único oceano . Migração dos continentes ao longo de milhões de anos (movimento de placas tectônicas). PROVA CIENTÍFICA: semelhança entre os contornos dos continentes; idades dos fósseis animais e vegetais; distribuição atual das espécies pelos continentes. A FRAGMENTAÇÃO DA PANGÉIA OCORREU NO INÍCIO DA ERA MESOZÓICA DE ¨GONDWANA¨ E DA ¨LAURÁSIA¨ SURGIRAM OS CONTINENTES ATUAIS ASSIM É A CONFIGURAÇÃO CONTINENTAL ATUAL DOS CONTINENTES, PORÉM INSTÁVEL E EM DERIVA. POSIÇÃO DOS CONTINENTES DAQUI A 250 MILHÕES DE ANOS (NO FUTURO) Placas da Litosfera Grandes placas e algumas menores (espessura média de 100 km) delimitadas por extensas estruturas lineares Tectônica de Placas Tectônica de Placas Mapa de Risco Sísmico: A grande maioria dos terremotos localiza-se nos limites convergentes das placas tectônicas Petróleo e gás natural: soterramento de seres plantônicos (Fósseis) Formação de petróleo Pré-sal – maior província petrolífera do Brasil Pré-sal Camadas sobre a camada de Pré-sal Pré-sal