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Por que os dias na Terra estão ficando mais longos?

17:50:00 ,
 

- Atualizado no dia 6 de dezembro de 2023 -

          Apesar de sabermos desde a antiguidade que a Terra é redonda (1), nosso planeta não é perfeitamente redondo. Devido à rotação da Terra sobre seu próprio eixo, o planeta concentra uma maior massa (+0,3%) próximo do equador. O diâmetro da Terra do polo Sul ao polo Norte é de ~12714 quilômetros (km), enquanto ao longo do equador a distância é de ~12756 km. Essa diferença - pouco menos de 43 km - é muito pequena para ser observada em fotos da Terra tiradas do espaço e, nesse sentido, o planeta parece uma perfeita esfera ao olho humano. Evidências científicas também sugerem que o derretimento das geleiras está aumentando a "cintura" da Terra (2).

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Para mais informações:


          A rotação da Terra sobre o seu próprio eixo determina o ciclo diurno-noturno, permitindo incidência solar em praticamente toda superfície do planeta ao longo do movimento de translação ao redor do Sol. O tempo necessário para uma volta completa da Terra ao redor do seu próprio eixo é a duração de um dia terrestre, o qual é aproximadamente 24 horas. Porém, o dia terrestre nem sempre durou 24 horas e, aliás, continua mudando. Quando a Terra foi formada há 4,6 bilhões de anos, cientistas estimam que o dia tinha apenas ~6 horas de duração, ou seja, a rotação terrestre era muito mais rápida! O principal fator que desacelerou dramaticamente a rotação da Terra ao longo de bilhões de anos foi a emergência da Lua, nosso único satélite natural.

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> Considerando o sentido do Polo Norte, a Terra gira do oeste para o leste. Essa rotação teve início com o nascimento do planeta. Há cerca de 4,6 bilhões de anos, o Sistema Solar foi formado quando uma enorme nuvem de gás e poeira começou a colapsar sob a própria gravidade. À medida que a nuvem colapsava, o gás e a poeira naturalmente começaram a rotacionar. Parte do material dentro dessa nuvem em contínuo colapso começou a girar cada vez mais rápido por causa de algo chamado de conservação do momento angular (similar a um patinador girando que fecha os braços para girar mais rápido). Como gravidade atua em todas as direções dentro desse bolo de matéria rotatória, eventualmente a Terra emergiu como um corpo redondo. E, devido ao fato de nenhuma força no vácuo espacial estar atuando para frear de forma significativa a rotação desse corpo, a Terra continuou girando por inércia. O mesmo processo é válido para outros planetas no Sistema Solar, que também rotacionam sobre o próprio eixo.

> O eixo de rotação da Terra é inclinado (23,45°) em relação ao plano de órbita ao redor do Sol. Essa inclinação é variante ao longo de um ciclo milenar e é responsável pelas estações bem definidas na Terra (inverno, verão, outono e primavera). Para mais informações: O que causa as Estações do Ano?

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          É tradicionalmente proposto que a Lua foi formada pelo violento impacto de um corpo do tamanho de Marte (Theia) sobre a proto-Terra, há cerca de ~4,35 bilhões de anos (Ref.4), apesar de outras propostas alternativas - mas similares - terem sido propostas nos últimos anos (3). Inicialmente, a Lua estava a uma distância de três vezes o raio da Terra, imediatamente após o limite de Roche (4). Com essa distância e o momento angular estimado, é sugerido que o dia terrestre durava apenas 4 horas (Ref.5). Ao longo do tempo, a Lua foi se movendo para longo da Terra, roubando energia rotacional da Terra e ganhando órbitas cada vez mais afastadas; consequentemente, a velocidade de rotação do planeta foi reduzida, aumentando a duração do dia terrestre. Quando a Lua estava com ~30 mil anos de idade, o dia durava cerca de 6 horas; quando fez 60 milhões de anos de idade, o dia durava 10 horas. Após esse relativo rápido período de desaceleração da rotação terrestre com a emergência e afastamento inicial da Lua, o "roubo" lunar de energia rotacional da Terra tornou-se menos intenso nos bilhões de anos subsequentes (Ref.6).

          Nessa contínua interação Terra-Lua, a Lua tem gradualmente aumentado a duração do dia da Terra ao longo de bilhões de anos, até o atual valor de ~24 horas. Atualmente, a Lua está se afastando 3,82 cm/ano da Terra e acrescentando 0,0000135 segundos à duração do dia terrestre, uma taxa que continuará pelos próximos milhões de anos (Ref.7). Hoje, a distância média da Lua em relação à Terra é de 384400 km; há cerca de 1,4 bilhão de anos, essa distância era de 340900 km, e 1 dia terrestre durava entre 18 e 19 horas (Ref.7). Em outras palavras, os dias na Terras estão, de fato, ficando mais longos - seguindo a tendência histórica do planeta -, mas a um nível que não é perceptível ou importante para as atividades humanas. 

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Para mais informações:

> Como regra geral, a influência gravitacional de um satélite em órbita controla a evolução da rotação de um planeta. Devido ao fato da Terra rotacionar mais rápido do que a velocidade orbital angular da Lua, a saliência oceânica de maré é empurrada à frente da Lua. Esse efeito exerce um torque sobre a Lua, o qual - transferindo momento angular da Terra para o corpo lunar - impulsiona a Lua para uma órbita mais afastada e reduz a rotação da Terra.

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          Porém, apesar da Lua representar o principal fator de interferência na rotação da Terra, outros fatores não podem ser ignorados. Isso inclui significativa influência gravitacional do Sol e de outros corpos planetários no Sistema Solar; mudanças nas estruturas internas do planeta; deslocamentos de massa na superfície terrestre (ex.: derretimento de geleiras e movimentação das placas tectônicas); mudanças nas dinâmicas terrestre, atmosférica e oceânica do efeito de maré (ex.: variações no volume oceânico durante ciclos glaciais); entre outras variáveis geofísicas (Ref.8). Aliás, recentemente um estudo publicado no periódico Nature Geoscience (Ref.9) trouxe forte evidência de que durante ~1 bilhão de anos, no Proterozoico-Médio, a duração do dia terrestre manteve-se quase inalterada em cerca de 19 horas (Fig.1) - um valor também corroborado por outros estudos (Ref.10). Os pesquisadores encontraram que a perda de energia rotacional terrestre para a Lua estava sendo compensada por ganho de energia rotacional causada pelo Sol.

Figura 1. Variações na duração do dia terrestre nos últimos ~2,5 bilhões de anos. O gráfico foi construído com base em ciclo-estratigrafia - método geológico que usa sedimentação rítmica de minerais para detectar ciclos astronômicos "Milankovitch" que refletem como mudanças na órbita e na rotação da Terra afetam o clima (5). Arq. = Arqueano; Snowball Earths = Terras Bola de Neve (6).

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          Em contraste com a maré oceânica gravitacionalmente excitada pelo "puxão" da Lua, marés atmosféricas são termicamente excitadas pela absorção de raios solares pelo vapor de água (7) e ozônio na atmosfera da Terra (8), com maior efeito durante o período semidiurno. Devido ao arranjo do sistema de três corpos e o sentido de rotação da Terra, a maré oceânica semidiurna lunar aplica um torque que desacelera e a maré atmosférica semidiurna solar aplica um torque que acelera a taxa de rotação terrestre. De forma mais simples, a energia radiativa do Sol "empurra" a Terra no sentido de rotação, enquanto a Lua "puxa" a Terra no sentido contrário. Em um ponto de ressonância (duração do dia ressonância-estabilizado), o torque lunar pode ser estabilizado pelo torque solar, estabilizando a duração do dia por um longo período de tempo (Fig.2). Esse cenário tem sido proposto no Pré-Cambriano, quando o torque lunar provavelmente era 25% do seu atual valor devido ao menor acoplamento friccional entre Terra e Lua - significando que a rotação da Terra mais rápida tornava a influência gravitacional de maré da Lua mais fraca. 

Figura 2. Em um ponto de ressonância, os torques de maré lunar (oceânico) e solar (atmosférico) entrariam em equilíbrio, estabilizando a taxa de rotação da Terra e mantendo uma duração do dia constante por um longo período.  O torque solar permite a transferência de momento angular da órbita da Terra para o giro (spin) da Terra. O acúmulo de oxigênio atmosférico seguindo Grande Evento de Oxidação (GOE) - e consequente aumento da camada de ozônio (O3) - pode ter tornado a maré atmosférica solar ainda mais intensa.

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           Esse cenário de estabilização da taxa de rotação da Terra foi justamente o que as análises do novo estudo mostraram. Esse período onde a duração do dia foi estabilizada, aproximadamente entre 1 e 2 bilhões de anos atrás, é coincidentemente conhecido como Boring Billion ("Bilhão do Tédio") e está entre os dois maiores picos de elevação no nível de oxigênio (O2) na atmosfera terrestre. No Boring Billion, evolução biológica e dinâmicas geoquímicas e tectônicas não foram marcados por notáveis inovações ou transformações. Em termos biológicos, isso é consistente com a ideia que elevação nos níveis de oxigênio atmosférico produzido via fotossíntese e ascensão de vida complexa - ambos ocorrendo apenas no Neo-Proterozoico - foram atrasados até a ressonância estabilizante ser quebrada e os dias voltarem a ficar cada vez mais longos, fornecendo períodos diurnos com maior duração e mais energia solar para as bactérias fotossintéticas. Uma vez que os níveis de oxigênio atmosférico voltaram a subir, vida Metazoária (animais) tornou-se possível.

          Aliás, um estudo mais recente publicado na Science (Ref.11) estimou que se desconsiderássemos o torque solar [térmico] atuando ao longo da história da Terra, o dia terrestre atualmente teria 65 horas. Ao redor de 1,85 bilhão de anos atrás, o estudo encontrou que o dia possuía uma duração de 19,5 horas - concordando com estudos prévios - e reforçou que esse valor permaneceu pouco alterado durante o Bilhão do Tédio. Porém, eles encontraram que esse valor estabilizado em torno de 19,5 horas persistiu de 2,2 bilhão de anos até 600 milhões de anos atrás. Os autores do estudo também concordaram que essa longa estabilização potencialmente explica por que o dia atualmente possui apenas 24 horas - partindo de uma duração estimada em ≲ 17.5 horas antes de 3 bilhões de anos atrás.


REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS

  1. https://climate.nasa.gov/news/2469/10-interesting-things-about-earth/ 
  2. https://www.psu.edu/news/research/story/probing-question-why-does-earth-rotate/ 
  3. https://coolcosmos.ipac.caltech.edu/ask/59-Why-does-Earth-spin 
  4. Borg & Carlson (2023). The Evolving Chronology of Moon Formation. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, Vol. 51:25-52. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-031621-060538
  5. http://www.iea.usp.br/en/news/when-a-day-lasted-only-four-hours
  6. Farhat et al. (2022). The resonant tidal evolution of the Earth-Moon distance. Astronomy & Astrophysics 665, L1. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202243445
  7. Meyers et al. (2018). Proterozoic Milankovitch cycles and the history of the solar system. PNAS, 115 (25) 6363-6368. https://doi.org/10.1073/pnas.17176891
  8. Ferrándiz et al. (2015). Earth’s Rotation: A Challenging Problem in Mathematics and Physics. Pure and Applied Geophysics 172, 57–74. https://doi.org/10.1007/s00024-014-0879-7
  9. Mitchell & Kirscher (2023). Mid-Proterozoic day length stalled by tidal resonance. Nature Geoscience. https://doi.org/10.1038/s41561-023-01202-6
  10. Zhang et al. (2022). Length of day at c. 1.1 Ga based on cyclostratigraphic analyses of the Nanfen Formation in the North China craton, and its geodynamic implications. Journal of the Geological Society, Volume 180. https://doi.org/10.1144/jgs2022-022
  11. Murray et al. (2023). Why the day is 24 hours long: The history of Earth’s atmospheric thermal tide, composition, and mean temperature. Science Advances, Vol.9, Issue 27. https://doi.org/10.1126/sciadv.add2499