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Por que o ar não escapa do planeta?

Folie 2

• Por que o nosso ar não é sugado para o espaço sideral? A capacidade de um planeta reter determinados gases em sua atmosfera depende da velocidade das moléculas do gás e da temperatura e força de gravidade do planeta.
• Os elementos mais comuns no universo são os gases hidrogênio e hélio. Também são os mais leves. Um átomo de hidrogênio consiste de um próton solitário. Já o de oxigênio tem oito prótons, oito nêutrons e oito elétrons. Conclusão: o oxigênio é mais pesado.
• A Terra e o resto do nosso Sistema Solar surgiram no espaço de um tipo de nuvem, formada por hidrogênio e hélio. Então, a atmosfera inicial da Terra era provavelmente uma concentração de hidrogênio e hélio.
• Mas, hoje, o ar da Terra não tem virtualmente nenhum traço de hidrogênio ou hélio. Também não há hidrogênio ou hélio em volta de Mercúrio, Vênus e Marte.
• O que aconteceu? A Terra e os outros três, os planetas mais próximos do Sol, perderam sua atmosfera primitiva para o espaço.
• Por quê? A temperatura desses quatro planetas é relativamente alta. Os dias em Vênus, por exemplo, podem atingir cerca de 480 graus Celsius.
• As moléculas de gases estão sempre se movendo em alta velocidade. E quanto mais alta a temperatura, mais rapidamente se movem as moléculas de gás. Em temperatura ambiente, o oxigênio se movimenta a uma velocidade média de 1,6 mil quilômetros por hora. Moléculas leves se movem mais rapidamente do que as pesadas na mesma temperatura.
• Cada planeta tem uma velocidade de escape, baseada em sua própria massa e gravidade. Um objeto deve estar se movimentando a cerca de 40,2 mil quilômetros por hora para escapar da gravidade da Terra. Em Marte, com menor massa, a velocidade é de cerca de 17,7 mil quilômetros por hora.
• Os cientistas dizem que um planeta pode ``segurar" um determinado gás se a velocidade de escape do planeta é pelo menos seis vezes maior do que a velocidade média das moléculas de gás. Se não for assim, o gás vaza lentamente para o espaço. Foi exatamente o que aconteceu com o hidrogênio e o hélio da atmosfera da Terra.
• Mas não se preocupe com a atmosfera atual. Exceto por uma molécula extraviada aqui e ali, o oxigênio é muito pesado e pegajoso para se livrar da força de gravidade da Terra.
• Alguns planetas têm uma massa tão grande (e são tão frios) que sua gravidade pode segurar as moléculas mais leves. Júpiter e Saturno, por exemplo, são compostos principalmente por hidrogênio e hélio. Isso não é surpreendente quando se considera que a velocidade de escape de Saturno é de quase 128,7 mil quilômetros por hora. E para escapar do gigante Júpiter, você precisaria estar a 214,0 mil quilômetros por hora.

Folie 3

• As energias cinéticas moleculares dependem da temperatura do gás conforme a Teoria Cinética dos Gases ou mais precisamente a Distribuição de Maxwell-Boltzmann. O gráfico que segue indica como o módulo das velocidades moleculares está distribuído (função densidade de probabilidade para dois gases na temperatura de 300 K.
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Folie 4

• Optei por mostrar no gráfico o comportamento das velocidades para o nitrogênio – que constitui cerca de 78% da nossa atmosfera – e do hidrogénio – existente em pequeníssimas proporções na atmosfera mas cujas moléculas, por serem as mais leves, possuem em média velocidades maiores do que as de outros gases. A velocidade quadrática média das moléculas de nitrogênio se situa próxima de 500 m/s e as de hidrogênio quase 2,0 km/s.
• Nota-se também que a quase totalidade das moléculas de nitrogênio e hidrogênio tem velocidades respectivamente inferiores a 1,5 km/s e 5,0 km/s, portanto inferiores à velocidade de escape do nosso planeta.
• Nas camadas superiores da atmosfera, na rarefeita exosfera terrestre, dado que a temperatura é da ordem de milhar de graus kelvin (a energia cinética média das moléculas é diretamente proporcional à temperatura), há perda de principalmente de hidrogênio (e de outros gases) da atmosfera por este processo que é denominado Escape de Jeans (em honra ao físico James Jeans que o estudou).
• Assim sendo fica evidente que a gravidade é de capital importância para a existência de atmosfera nos planetas. Também é fácil inferir, que dado que a velocidade de escape da Lua é muito menor do que da Terra (cerca de 2,4 km/s), gases presentes em sua superfície aquecida pelo Sol, escapam rapidamente.
• Os mecanismos de escape atmosférico são diversos, indo muito além do Escape de Jeans. Um ótimo artigo sobre o tema, discutindo a existência ou não de atmosfera em outros locais do nosso sistema solar, está disponível em SciAm.