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Por que Vênus, e não Mercúrio, é o planeta mais quente do Sistema Solar?


- Atualizado no dia 21 de julho de 2021 -

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          Diferente do que muitos pensam, o planeta Mercúrio, mesmo sendo o mais próximo do Sol, não é o que possui a superfície mais quente do sistema Solar! Quem vence ele nessa disputa térmica é Vênus, o segundo planeta mais próximo da nossa estrela!

Distância de ambos os planetas até o Sol; mesmo Vênus estando duas vezes mais afastado, ele ainda vence a disputa de maior temperatura gerada na sua superfície (Arte: Google Images)

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          A explicação para isso é que Vênus possui uma atmosfera muito mais densa do que Mercúrio, composta, majoritariamente, por dióxido de carbono (~96,5%), seguido por nitrogênio molecular (~3,5%), e quantidades traços de dióxido de enxofre e de ácido sulfúrico (1). Na verdade, a atmosfera de Vênus possui 93 vezes mais massa que a atmosfera da Terra e uma pressão atmosférica 92 vezes maior (peso que a atmosfera exerce sobre determinado corpo nela inserido). A grande quantidade e alta concentração de gás carbônico além de dióxido de enxofre, ambos gases estufa, aprisionam uma enorme quantidade de energia térmica fornecida pelo Sol - especialmente próximo da superfície do planeta, devido à alta pressão que aumenta ainda mais a densidade dos gases estufas, dificultando ainda mais a perda de calor na forma de infravermelho longo e exacerbando a de-excitação colisional (2). Esse superefeito estufa faz com que as temperaturas na superfície Venusiana alcancem impressionantes 465°C! Já Mercúrio, possuindo uma fina e pouquíssima densa atmosfera, não consegue prender minimamente a imensa quantidade de energia que chega do Sol até ele. Assim, as temperaturas na superfície desse planeta não passam dos 420°C (só, né...), mesmo estando bem perto da nossa estrela.


            Radiação solar aquece a superfície terrestre, levando à emissão de radiação infravermelha de ondas longas, a qual é absorvida pelos gases estufas. Na Terra, como a concentração de gases estufas é muito baixa em relação a outros gases atmosféricos (O2 e N2), o modelo simples de apenas uma camada atmosférica (Fig.1) é suficiente para explicar o efeito estufa, onde essa camada absorve, se aquece e irradia infravermelho longo em todas as direções, resultando em uma eficiência de absorção média da radiação terrestre de 78,9% (Ref.16). Porém, em Vênus, a densa atmosfera e alta concentração de CO2 pede um modelo estufa de múltiplas camadas atmosféricas (Fig.2), onde cada uma absorve e irradia para todas as direções o infravermelho longo absorvido, resultando em uma eficiência de absorção de quase 100%.

          A refletividade (albedo) de Vênus é altíssima devido à robusta cobertura de nuvens constituídas de ácido sulfúrico (reflete 75% da radiação solar incidente), diminuindo drasticamente o fluxo de radiação solar alcançando a superfície. Isso reforça o grande impacto do efeito estufa no planeta. Considerando o fluxo de energia recebido de fato pela superfície de Vênus a partir do Sol e aplicando a lei de Stefan-Boltzmann para determinar a temperatura absoluta associada à emissão de corpo negro do planeta, Vênus teria uma temperatura de apenas 46,4°C negativos caso ignorássemos o efeito estufa atmosférico, muito inferior ao valor médio real de ~460°C. Quando aplicamos em simulação o efeito estufa - freio de parte da radiação infravermelha em escape -, obtemos o valor correto para a temperatura superficial média do planeta, ou seja, os +510°C faltantes (Ref.16).                    

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          Nesse sentido, Vênus é o planeta que possui o maior efeito estufa do nosso Sistema Solar. E para se ter uma ideia do quão importante é o efeito estufa para manter a temperatura de um planeta estável, Mercúrio, durante a noite, chega a registrar quedas altíssimas de temperatura, indo de 420°C para 220°C negativos em alguns pontos do planeta, mesmo estando tão perto do Sol. Sua atmosfera não possui gases estufas em quantidades mínimas para prender parte da energia térmica recebida durante o dia. Já em Vênus, as temperaturas na sua superfície variam muito pouco, seja dia, seja de noite (3), seja nos polos, seja no equador, ficando em torno dos 460°C, tamanha é a força do efeito estufa. Lá, veríamos a temperatura cair e sofrer variações bruscas somente com o aumento da altitude, algo naturalmente esperado, já que existirá uma progressiva rarefação do ar e afastamento da superfície aquecida. 

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(1) Na verdade, o que existe lá em maior parte é o sulfato de hidrogênio. Mas acredita-se que parte considerável está dissolvida em gotículas de água dentro das nuvens.

(2) Para melhor entender esse processo, acesse: Quais os mecanismos do efeito estufa atmosférico?

(3) É interessante mencionar que 1 dia em Vênus equivale a 243,0226 dias terrestres. Ou seja, enquanto a Terra gasta apenas 24 horas para dar uma volta completa sobre o seu eixo de rotação, Vênus gasta quase dois terços do nosso ano para completar uma rotação completa. Isso acontece porque o nosso vizinho rotaciona muito lentamente no seu próprio eixo e de trás para frente em relação ao nosso planeta, com o Sol nascendo no oeste e se pondo no leste.  Além disso, em Vênus, existe uma variação constante em torno de 20 minutos de um dia Venusiano para outro. Isso provavelmente se deve à sua atmosfera muito densa e massiva trocando grande quantidade de momento com a parte sólida do planeta. Em específico, mudanças no momento angular atmosférico de Vênus de pelo menos ~4% são transferidos para a parte sólida do planeta. 
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   LEI DOS GASES IDEIAS

          Existe a persistente desinformação de que as altas temperaturas na atmosfera de Vênus não são devidas ao efeito estufa, e, sim, à Lei dos Gases Ideais (sim, a famosa equação da termodinâmica PV=nRT). Será que essa lei contradiz a NASA?

          Obviamente, esse tipo de desinformação tosca partiu de pessoas negacionistas do Aquecimento Global que não entendem ciência básica. Primeiro, a lei dos gases ideais não pode nem mesmo ser aplicada na atmosfera de Vênus, já que esta é extremamente densa e não é composta de gases monoatômicos. Aliás, boa parte do dióxido de carbono na atmosfera Venusiana está no estado de fluído supercrítico devido às altas pressões. Outras interações, especialmente de Van der Waals, começam a atuar de forma muito expressiva e concomitante, fugindo bastante do pré-requisito mínimo de gás semi-ideal. E o mais importante: não existe contínuo trabalho de compressão sendo efetuado na sua atmosfera para um possível e contínuo aumento da energia térmica do ambiente e manutenção das altas temperaturas. Vênus não é um sistema fechado que sofrendo trabalhos de compressão isobárica em sua atmosfera.


         Não precisamos nem entender de físico-química para ver o óbvio. Se você possui um botijão de gás quase cheio em sua casa, você terá ali dentro um gás altamente comprimido próximo do ponto de condensação, a pressões muito altas. Ora, então por que o sistema ali não está extremamente quente, se o gás ali presente está sob alta pressão? O mesmo para um cilindro de oxigênio gasoso nos hospitais: por que esse cilindro não está a altíssimas temperaturas? Ambos estarão a temperatura ambiente, mesmo sob alta pressão, porque a energia térmica associada ao aumento de temperatura durante a compressão inicial do gás - considerando um processo isobárico e seguindo a lógica da equação dos gases ideais (com ou sem os parâmetros de correção para um gás real) - foi perdida via condução térmica dos recipientes onde os gases foram colocados. O mesmo ocorre quando você usa uma bomba de encher o pneu da sua bicicleta. Se você colocar a mão no cilindro da bomba após várias compressões, verá que ele ficará apenas temporariamente bem quente.

          Isso é espelhado em Vênus. O ar na sua atmosfera, bem denso, está sob grande pressão, mas não existe expressiva variação no seu volume ou na sua densidade médias para a variação da temperatura de forma dependente apenas da lei dos gases ideais. Mesmo considerando uma situação maluca onde todo o gás da atmosfera de Vênus foi colocado ali a força e comprimido, a temperatura iria aumentar apenas temporariamente, independente se a pressão continuasse alta depois. O calor gerado seria dissipado ao longo do tempo pela constante emissão de radiação infravermelho para o espaço. Isso sem contar que as já citadas espessas nuvens de ácido sulfúrico cobrindo o planeta refletem de volta cerca de 75% da radiação solar que atinge o planeta, diminuindo a ajuda externa para manter a superfície extremamente quente.  E observe que estamos considerando uma trabalho isobárico, porque essa compressão poderia ser um processo isotérmico (manutenção constante da temperatura e variação na pressão e no volume). Não existe sentido em dizer que um gás sob alta pressão necessariamente precisa estar a altas temperaturas, mesmo levando em conta um gás ideal.

          A origem desse mito onde é relacionado erroneamente alta pressão na atmosfera Venusiana e sua alta temperatura superficial provavelmente vem do fato de que no processo de convecção em uma atmosfera (ar quente, menos denso sobe, e ar mais frio, mais denso desce), a massa de ar que desce de fato sofre compressão da maior pressão atmosférica (menor altitude) e a massa de ar que sobe sofre uma expansão devido à menor pressão atmosférica (maior altitude). Esse processo aumenta e diminui as temperaturas iniciais das massas de ar, respectivamente. Isso ocorre na Terra, e por isso - somando-se à maior distância da superfície terrestre mais quente - a temperatura diminui à medida que vamos para altitudes cada vez maiores na troposfera. Porém, esse processo, em si, não gera um aquecimento ou resfriamento extra no sistema como um todo, porque o aumento de temperatura de um lado é acompanhando pela diminuição proporcional de temperatura do outro.

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          Considerando as características geológicas e atmosféricas do planeta, incluindo taxa de rotação, temperaturas médias superficiais, albedo e distância do Sol, a única - e correta - explicação para suas altíssimas temperaturas é o efeito estufa causado pela alta concentração e quantidade de gases estufas, em especial dióxido de carbono, corroborando também algo já bem estabelecido pela NASA e toda a comunidade científica. Aliás, temos provas irrefutáveis e empíricas de que o dióxido de carbono é um forte gás estufa, e a técnica analítica de espectroscopia de infravermelho deixa isso evidente.

          Já Marte, mesmo possuindo uma atmosfera composta de 94% de dióxido de carbono, possui uma temperatura superficial média abaixo de zero por causa da distância bem maior do Sol e devido ao fato da sua atmosfera ser bem fina e rarefeita (1/100 da densidade da atmosfera terrestre), ou seja, diminuindo drasticamente o potencial estufa. Na Terra, compensando a pequena concentração relativa de dióxido de carbono, temos uma atmosfera bem mais densa e a grande presença de uma gás estufa muito mais poderoso: vapor d´água (o qual também atua junto com o gás carbônico no aprisionamento de calor via feedback positivo).



   RUNAWAY GREENHOUSE EFFECT

         Muitos cientistas acreditam que em uma passado bastante longínquo existiu água na superfície de Vênus. Nesse sentido, têm sido proposto que o feedback positivo do vapor de água (maior efeito estufa, maior temperatura e, consequentemente, maior evaporação de água, levando a um efeito estufa ainda maior) (4) foi o responsável por eliminar por completo a água na superfície do planeta.

(4) Leitura recomendada:  Aquecimento Global: Uma Problemática Verdade

          Antes da Terra e de Vênus adquirirem suas atmosferas, suas temperaturas superficiais eram as mesmas que suas temperaturas efetivas (correspondendo quase fielmente ao aquecimento equivalente à radiação solar incidente). O albedo (capacidade de reflexão da radiação solar) em ambos os planetas era muito baixo, por causa da falta de nuvens ou superfícies cobertas por gelo. À medida que água gradualmente foi sendo expelida do interior de ambos os planetas e se acumulando na atmosfera em emergência, o efeito estufa gerado pelo vapor de água aumentou na superfície planetária. Na Terra, a saturação da pressão de vapor da água foi eventualmente alcançada a um ponto onde a água começou a precipitar para formar os oceanos. Em Vênus, pelo contrário, a saturação da pressão de vapor da água nunca teria sido alcançada, com os oceanos não se formando e o vapor de água se acumulando continuamente na atmosfera, resultando em um Efeito Estufa de Fuga (Runaway Greenhouse Effect). Com a contínua amplificação do efeito estufa e drástico aumento de temperatura, as moléculas de água acabaram escapando gradualmente do campo gravitacional do planeta após serem degradadas pelo ultravioleta (UV) e o vento solar.

          A distância da Terra do Sol foi crítica em prevenir esse efeito de fuga na fase inicial da sua formação, onde uma menor temperatura permitiu a condensação da água em altitudes mais baixas, longe da exposição excessiva ao ultravioleta - e subsequente degradação e fuga de íons hidrogênio. Hoje o vapor de água da superfície terrestre não passa de 15 km, na tropopausa, camada mais fria da troposfera.

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          O termo Efeito Estufa de Fuga também é aplicado a outros gases estufas. A alta concentração de dióxido de carbono em Vênus pode ser entendida como uma grande quantidade de carbono em diversas formas na superfície do planeta se oxidando para a formação desse gás, e com este gradualmente e continuamente se acumulando na atmosfera, sem reciclagem. Na Terra, o ciclo da água foi possibilitado, permitindo precipitação (chuva) para dissolver o CO2 em excesso na atmosfera e para formar os oceanos que também dissolvem grande quantidade de CO2 atmosférico (5); ambos os processos facilitam a fixação de carbono (na forma de ácido carbônico) em rochas de carbonato. Ou seja, na Terra o CO2 têm sido constantemente reciclado, e grande parte desse gás fixado sendo sedimentada no solo oceânico e mandada via subducção para o manto. 


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ATIVIDADE TECTÔNICA EM MERCÚRIO: Um estudo publicado em 2016 na Nature Geoscience (Ref.6) foi o primeiro a mostrar que Mercúrio é um planeta tectonicamente ativo, assim como a Terra. Segundo os dados analisados pelo estudo, pequenas fraturas em sua superfície comprovam isso, as quais demonstram ser jovens demais para sobreviverem visíveis sob o constante bombardeio de asteroides e meteoroides em sua superfície. Ou seja, foram produzidas por atividades tectônicas recentes. Antes, nosso planeta era considerado o único no Sistema Solar com atividade tectônica. Agora Mercúrio entra na lista, e sua atividade tectônica está em um processo concomitante com o resfriamento e contração do planeta. Em 2020, um estudo também publicado na Nature Geoscience (Ref.10) corroborou o achado ao identificar 37 recentes estruturas vulcânicas ativas na superfície de Vênus. 

NÚCLEO DE VÊNUS: Vênus é inclinado por 2,6392° em relação ao seu plano orbital (na Terra, essa inclinação é em torno de 23°); sua taxa de precessão é de 44,58 arcos por ano, o que gera um momento de inércia normalizado de 0,337. Com esses valores, o diâmetro do núcleo desse planeta é estimado em algo próximo de 3500 quilômetros - bem similar ao da Terra -, mas ainda incerto se o núcleo é líquido ou sólido (Ref.13).

VIDA EM VÊNUS: Evidências recentes têm sugerido a presença de significativa concentração de fosfina (PH3) na alta atmosfera Venusiana, indicando possível presença de vida microbiana. Porém, a questão ainda é controversa e longe de conclusiva. Para mais detalhes sobre o assunto, acesse: Potencial sinal de vida encontrado em Vênus

ÁGUA EM MARTE: Apesar de receber apenas 30% da atual energia da radiação solar incidente sobre a Terra e ser hoje muito frio (temperatura média superficial de ~62°C negativos) (!), Marte chegou a ter em um passado distante lagos e rios de água líquida na sua superfície; lagos persistiam no planeta por mais de 100 anos. É sugerido que um mecanismo de efeito estufa atuou há cerca de 4-3 bilhões de anos - em um cenário de clima árido e com umidade superficial relativa de ~25% - através de uma grande quantidade de nuvens de gelo em alta altitude, elevando a temperatura média anual para cerca de 265 K (~8°C negativos), o que é suficiente para permitir água líquida em lagos de baixa latitude do planeta (Ref.11).

ÁGUA EM VÊNUS: Um modelo climático global tridimencional publicado mais recentemente na Nature (Ref.17) concluiu que água nunca se condensou em Vênus devido a um forte aquecimento global causado pelo vapor de água na atmosfera do planeta. Aqui na Terra essa permanente seca teria sido prevenida - com a presença de oceanos desde ~4 bilhões de anos atrás - devido à existência no início do Sistema Solar de um Sol mais jovem e fraco. O achado também implica que existe outro estado de estabilidade para a atual Terra: a "Terra a vapor", onde toda a água dos oceanos é evaporada para a atmosfera; aliás, o vapor de água é o mais poderoso feedback positivo dos processos de aquecimento global a partir de gases estufas. 

(!) IMPORTANTE: Por causa da fina atmosfera e baixo potencial estufa, as temperaturas superficiais em Marte podem ser tão altas quanto 20°C e tão baixas quanto 153°C negativos dependendo da latitude, e variar de forma dramática com a altitude. Nesse último ponto,  por exemplo, se você estivesse no equador do planeta ao meio-dia, a superfície atingida pelos raios solares aqueceria seus pés até 24°C e sua cabeça permaneceria bem fria (0°C).
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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://www.weather.gov/fsd/venus 
  2. http://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/F_The_Planet_Venus_5-8.html
  3. http://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-planet-mercury-58.html 
  4. http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Venus_Express/The_unexpected_temperature_profile_of_Venus_s_atmosphere
  5. http://www.astronomersgroup.org/newsletter/documents/2014-venus-greenhouse.pdf 
  6. http://www.nature.com/nature/journal/v277/n5697/abs/277546a0.html
  7. http://www.nasa.gov/feature/the-incredible-shrinking-mercury-is-active-after-all
  8. http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/ask/38-Why-is-Venus-so-hot-
  9. http://acmg.seas.harvard.edu/people/faculty/djj/book/bookchap7.html
  10. https://www.nature.com/articles/s41561-020-0606-1
  11. https://www.pnas.org/content/118/18/e2101959118
  12. https://solarsystem.nasa.gov/planets/mars/in-depth/
  13. https://www.nature.com/articles/s41550-021-01339-7
  14. Philip Mulholland, Stephen Paul Rathbone Wilde. Inverse Climate Modelling Study of the Planet Venus. International Journal of Atmospheric and Oceanic Sciences. Vol. 4, No. 1, 2020, pp. 20-35. https://doi.org/10.11648/j.ijaos.20200401.13
  15. https://science.sciencemag.org/content/372/6547/1136.summary
  16. William Song Liu. Comparison of the greenhouse effect between Earth and Venus using multiple atmospheric layer models. E3S Web Conf. Volume 167, 11th, ICESD (2020). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202016704002
  17. Turbet et al. (2021). Day–night cloud asymmetry prevents early oceans on Venus but not on Earth. Nature 598, 276–280. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03873-w