A maioria de nós considera isso como algo natural. A gravidade na Terra é sempre a mesma....como uma espécie de força constante que nos mantém presos ao chão. Mas, assim que você começa a analisar o assunto mais a fundo, descobre que ele é muito mais complexo: a intensidade do campo gravitacional varia de acordo com... Onde você está no planeta e a que profundidade?A perspectiva não muda apenas quando você entra em um avião ou na Estação Espacial Internacional, mas também quando você imagina viajar para o interior da Terra.
Por trás dessa ideia aparentemente simples, reside física clássica, estrutura interna do planeta e dados de satéliteDa famosa lei da gravitação universal de Newton a modelos geofísicos detalhados como o Modelo Preliminar de Referência da Terra (PREM) de Dziewonski, tudo se encaixa para responder a uma pergunta muito específica: Em que partes da Terra a gravidade é mais forte? E, veja bem, a resposta não está nem "na superfície" nem "bem no centro", como se poderia pensar inicialmente.
Como funciona a gravidade e por que ela não é a mesma em todos os lugares.
Para colocar as coisas em perspectiva, vale lembrar que a gravidade é a força de atração mútua entre corpos com massa ou energiaÉ responsável por nossos pés não flutuarem, pela Terra girar em torno do Sol e pela Lua orbitar ao nosso redor. Isaac Newton formulou, há mais de três séculos, que a força gravitacional entre duas massas diminui com o aumento da distância entre elas. quadrado da distância que os separa.
Isso significa que, se você se afastar duas vezes mais do que a distância de um corpo massivo, a força da gravidade é reduzida a um quartoÉ exatamente a mesma relação que rege a força elétrica entre duas cargas: se você dobrar a distância, a intensidade da interação cai para um quarto. Essa relação matemática simples nos permite calcular, por exemplo, quanta gravidade uma pessoa sente. Lua em sua órbita ou qual a força que a Estação Espacial Internacional experimenta ao orbitar a Terra.
No caso da ISS, que não está tão distante da superfície quanto muitos acreditam, a gravidade ainda é aproximadamente a mesma. 89% do que sentimos no chãoOs astronautas flutuam não porque a gravidade desapareceu, mas porque estão em queda livre contínua descrevendo uma órbitaSua velocidade horizontal compensa a atração em direção à Terra, de modo que continuam girando sem "cair" no chão.
Até aqui, tudo parece bastante razoável: nos afastamos da Terra e a gravidade diminui. A questão interessante surge quando consideramos o oposto: O que acontece se, em vez de nos afastarmos, formos para baixo da superfície? À primeira vista, podemos acreditar que quanto mais perto do centro, mais forte será a atração. No entanto, a física e a estrutura interna do planeta contam uma história diferente.
Dependendo da nossa posição na superfície, a força que sentimos também não é exatamente a mesma. Uma escala simples pode servir como um teste caseiro: Nosso peso pode variar em até cerca de 0,7 quilos. entre diferentes áreas do planeta. Não é que nossa massa mude, obviamente, mas sim a aceleração da gravidade que atua sobre nós. A questão principal é que a Terra não é um esfera perfeita e homogêneaApresenta relevo, camadas de densidades diferentes e distribuições de massa muito irregulares.
O modelo ideal: uma Terra homogênea e perfeitamente esférica.
Para entender completamente por que a realidade diverge, é útil começar com um caso clássico. Vamos imaginar um Terra completamente sólida e esférica, com densidade constante.Este é o exemplo típico que os cientistas adoram quando querem explicar conceitos sem muitas complicações adicionais. Nesse mundo ideal, a distribuição de massa seria perfeitamente simétrica e fácil de tratar matematicamente.
Nesse modelo simplificado, se começássemos na superfície e viajássemos em direção ao centro perfurando o planeta, o A intensidade da gravidade não aumentaria. À medida que nos aproximamos, mas iria acontecer diminuindo gradualmente até chegar a zero exatamente no centro geométrico da Terra. Sim, pode parecer contraintuitivo à primeira vista, mas tem uma lógica muito concreta.
O motivo é que, à medida que descemos, cada vez temos menos massa abaixo de nós contribuindo para a atração. Todo o material acima é "compensado" pelo material localizado no lado oposto do planeta, à mesma profundidade, de modo que seu efeito líquido tende a se anular. De acordo com o teorema demonstrado por Carl Friedrich GaussEm uma esfera homogênea, a gravidade em um ponto interior depende apenas da massa contida em uma esfera imaginária com raio igual à distância do centro até esse ponto.
Isso significa que toda a massa localizada em um raio maior que sua posição não contribui para a força gravitacional resultante sobre você. A cada metro que você desce, a "esfera efetiva" que o atrai diminui, portanto a gravidade também diminui. Se o planeta fosse realmente tão uniforme, a curva de variação da gravidade em direção ao interior seria quase uma linha reta descendente até atingir o valor zero no centro.
Este resultado é belo do ponto de vista teórico e se encaixa perfeitamente no ensino de conceitos de campo gravitacional e simetria, mas o universo real, e especialmente a Terra, não se conformam exatamente a essa simplicidade. A estrutura interna do planeta introduz nuances importantes que tornam a compreensão mais complexa. A gravidade interna não se comporta de forma linear..
A Terra real: camadas, densidades e um interior muito complexo.
No mundo real, a Terra é composta de camadas com composições e densidades muito diferentesE isso muda tudo. Não se trata de uma bola uniforme de rocha, mas de um corpo estratificado em que a densidade geralmente aumenta com a profundidade, mas não de forma suave ou regular. Há mudanças abruptas, áreas onde a densidade varia pouco e regiões com materiais muito diferentes.
A densidade média global do planeta é de cerca de 5.500 quilogramas por metro cúbicoMas a crosta, a parte mais externa, é consideravelmente menos densa que o núcleo. A atmosfera forma um envelope gasoso ao redor da superfície rochosa; em seguida, encontramos a hidrosfera, que inclui todos os oceanos, corpos d'água e barragens de água, com algum 4 quilômetros de profundidade média nos mares. Abaixo desses oceanos e continentes encontra-se a crosta sólida, onde vivemos.
La crosta terrestreDe origem continental e oceânica, possui apenas algumas dezenas de quilômetros de espessura e sua densidade típica é de cerca de 5.600 kg/m³Abaixo aparece o casacoO manto é uma camada com quase 2.900 quilômetros de espessura, composta por rochas siliciosas submetidas a altas pressões e temperaturas. No topo do manto, a densidade é de cerca de 3.400 kg/m³, mas aumenta gradualmente para aproximadamente [inserir valor aqui]. 5.600 kg/m³ próximo ao seu limite inferior.
O salto significativo ocorre quando entramos no núcleo de terraPrimeiro encontramos o núcleo externo, uma camada fluida (principalmente ferro e níquel) cuja densidade varia entre 10.000 e 12.000 kg/m³Ou seja, cerca de quatro ou cinco vezes mais do que a crosta. Ainda mais profundamente, o núcleo interno sólido e metálico atinge densidades em torno de 5.600 kg/m³, tornando-se a região mais compacta e densa de todo o planeta.
Essa estrutura estratificada implica que a gravidade dentro Não pode diminuir de forma simples e linear. como no modelo homogêneo. O aumento da densidade em certas profundidades faz com que a quantidade de massa que nos "puxa" mude de uma forma não trivial. Para descrever com precisão esse comportamento, são necessários modelos como o Modelo Preliminar de Referência da Terra (PREM) por Dziewonski (1981), que incorporam dados sísmicos e físicos para estimar como a densidade varia com o raio.
De acordo com esses modelos, a aceleração devido à gravidade permanece quase constante nos primeiros 2.000 quilômetros de profundidade E, surpreendentemente, observa-se um ligeiro aumento à medida que nos aproximamos da base do manto. Nessa escala, não estamos falando de mudanças enormes, mas sim de variações muito importantes do ponto de vista geofísico, que nos permitem responder rigorosamente à questão de onde a gravidade atinge seu máximo.
Onde a gravidade é mais forte dentro da Terra.
O comportamento detalhado da gravidade em função da profundidade, de acordo com o PREM e outros estudos de física da Terra, mostra uma curva claramente não linear. À medida que se desce da superfície, A aceleração gravitacional g não cai repentinamente.mas permanece relativamente estável nos primeiros milhares de quilômetros. Na verdade, no manto profundo, chega a exceder ligeiramente o valor da superfície.
Especificamente, existe uma faixa de profundidades onde a densidade aumentou o suficiente para que a massa abaixo de nós gere uma atração um pouco maior do que experimentaríamos na superfície. O máximo é atingido por volta de 3.000 quilômetros de profundidadeaproximadamente na região próxima à transição entre o manto inferior e o núcleo externo do planeta.
Nesse ponto, os cálculos indicam que a aceleração da gravidade atinge aproximadamente 10,7 m / s², o que representa um aumento aproximado de 9% em comparação com o valor médio de 9,8 m/s² na superfície da Terra. Ou seja, nessa faixa do interior da Terra, notaríamos uma força gravitacional ligeiramente maior do que a que sentimos caminhando em qualquer lugar do planeta.
A partir desse ponto máximo, à medida que você continua viajando em direção ao centro, a gravidade começa a diminuir novamenteEmbora a densidade do material permaneça alta, o volume de massa "abaixo" de nossa posição efetiva diminui à medida que nos aproximamos do centro geométrico. A contribuição da massa localizada em um raio maior é compensada pela simetria esférica, e a força resultante que sentimos diminui gradualmente.
Tendo chegado a uma região muito próxima de centro da TerraA gravidade tende a se tornar praticamente zero. O valor exato do raio no qual a aceleração se torna zero depende de... distribuição de massa real no núcleo e como os diferentes "bolsões" de material mais quente e menos denso que se movem em seu interior estão organizados. Correntes de convecção, variações de temperatura e diferenças na composição tornam os cálculos detalhados complexos, mas o resultado geral permanece o mesmo: A gravidade no centro ideal é zero..
Um fato interessante é que o valor máximo da gravidade a cerca de 3.000 quilômetros de profundidade é maior do que o da camadas superiores da atmosfera de Saturno e é bastante próxima da gravidade que encontraríamos na superfície de NeptunoOu seja, nas "profundezas subterrâneas" do nosso próprio planeta, experimentaríamos uma gravidade comparável à de gigantes distantes no Sistema Solar, embora, obviamente, as condições de pressão e temperatura tornassem qualquer presença humana inviável.
Camadas externas: atmosfera, água e crosta terrestre e seu efeito sobre a gravidade
Se deixarmos de lado essa jornada imaginária ao núcleo e retornarmos à nossa realidade cotidiana, a gravidade também existe nas camadas externas da Terra. variações notáveisA atmosfera, a hidrosfera, a crosta terrestre e o relevo modificam ligeiramente a quantidade de massa que temos sob nossos pés, e isso se traduz em pequenas diferenças em escala regional.
Acima da superfície sólida temos o atmosferaUma camada de gases essenciais à vida fornece massa adicional, embora sua contribuição para o valor da gravidade no solo seja muito modesta em comparação com as camadas rochosas. Em seguida, encontramos o hidrosferaque engloba todos os corpos d'água: oceanos, mares, lagos, etc. Abaixo dos oceanos encontra-se uma crosta oceânica relativamente fina e densa; abaixo dos continentes, uma crosta mais espessa e um pouco menos densa.
La crosta terrestreA crosta terrestre, com espessura entre 30 e 100 quilômetros, dependendo se estamos falando de crosta continental ou oceânica, forma a base de todo o relevo de montanhas, planícies e fossas oceânicas. Abaixo dela, como já vimos, encontra-se o manto, que se estende a uma profundidade de cerca de 2.900 quilômetros, seguido pelo núcleo externo e pelo núcleo interno. Cada uma dessas camadas contribui de forma diferente para a gravidade medida na superfície, dependendo de sua espessura, composição e densidade.
Um detalhe interessante é que quando começar a descer da superfíciePor exemplo, em uma mina profunda ou em um poço de perfuração, entramos em materiais um pouco mais densos do que a crosta terrestre imediata, de modo que, durante as seções iniciais, a gravidade praticamente não diminui e pode até aumentar ligeiramente, dependendo da geologia local. Não é necessário se aproximar a milhares de quilômetros do núcleo para notar variações: em escala humana, mesmo alguns quilômetros de profundidade em rochas mais densas podem ter um impacto. alterar sutilmente o valor de g.
Em toda a superfície do planeta, essas diferenças são agravadas por outros fatores, como: rotação da terra (o que introduz uma componente centrífuga maior no equador do que nos polos) e a forma ligeiramente achatada do globo. Tudo isso contribui para que a aceleração da gravidade varie em décimos de m/s² dependendo da latitude e da altitude, o que se traduz numa variação de peso de até cerca de 0,7 kg que uma balança doméstica consegue detectar se nos deslocarmos para locais muito diferentes.
Regiões com gravidade maior e menor na superfície da Terra
Além da latitude e da altitude acima do nível do mar, existem anomalias gravitacionais locais diretamente relacionado à concentração de massa sob nossos pés. Para mapear com precisão essas variações, a NASA empregou missões como os satélites gêmeos. GRACE (Experimento de Recuperação da Gravidade e Clima)que permitiram o desenvolvimento de mapas muito detalhados do campo gravitacional da Terra.
Esses mapas mostram que algumas das áreas com maior gravidade na superfície Eles são encontrados em grandes cadeias de montanhas, como a HimalaiaIsso não é coincidência: a enorme quantidade de rochas acumuladas nessas cadeias de montanhas implica um excesso de massa em comparação com regiões mais planas ou profundas, resultando em um campo gravitacional ligeiramente mais intenso.
No extremo oposto, temos o trincheiras oceânicas, como o famoso Fossa das Marianasonde o terreno desce a profundidades superiores a 10.000 metros abaixo do nível do mar. Nessas áreas, há menos massa rochosa ocupando esse volume em comparação com uma região continental no mesmo nível de referência, e a água também é menos densa que a rocha. O resultado é um campo gravitacional um pouco mais fraco em comparação com áreas com maior acúmulo de massa sólida.
Essas diferenças não são enormes em escala humana, mas são relevantes o suficiente para que, com instrumentação sensível, possamos detectar variações em g de alguns décimos de um miligalonNa prática, isso significa que você pode pesar um pouco mais no topo de uma cordilheira muito densa do que no fundo de uma depressão oceânica, mesmo que as condições de vida sejam radicalmente diferentes.
Mapas de gravidade derivados do GRACE e de outras missões também são usados para estudar mudanças no armazenamento de água (por exemplo, o derretimento das geleiras ou a diminuição dos aquíferos e o nível do mar), visto que, à medida que a quantidade de massa de água varia em certas regiões, o campo gravitacional se ajusta de acordo. A gravidade, portanto, nos diz não apenas onde a atração é mais forte, mas também... como a massa é redistribuída no planeta ao longo do tempo.
Então, onde a gravidade é realmente máxima na Terra?
Com tudo isso em mente, podemos agora responder a essa pergunta direta com uma base sólida: o A gravidade mais intensa da Terra não está exatamente na superfície.nem no centro perfeito do planeta. Modelos geofísicos indicam que o valor máximo da aceleração gravitacional é atingido aproximadamente a cerca de 3.000 quilômetros de profundidade, na zona de transição entre o manto inferior e o núcleo externo.
Nessa região, a combinação de densidade muito alta e grande quantidade de massa localizada em um raio menor faz com que a força de atração seja ligeiramente maior do que o valor que medimos na crosta terrestre. Estamos falando de... 10,7 m / s², em comparação com a velocidade de referência de 9,8 m/s² na superfície. Isso representa um aumento de aproximadamente um 9%, o que não é insignificante se pensarmos na escala global do planeta.
Se continuássemos descendo em direção ao núcleo interno, a gravidade começaria a... diminuir gradualmenteporque a porção de massa que realmente nos "puxa" diminui à medida que nos aproximamos do centro geométrico. Finalmente, em um ponto muito próximo do centro, as forças gravitacionais de todas as direções se cancelam, e a gravidade efetiva tenderia a valores praticamente zero, pelo menos no caso ideal, sem assimetrias.
É claro que tudo isso é um exercício teórico apoiado por dados experimentais indiretos: não podemos perfurar a uma profundidade de 3.000 quilômetros nem colocar um acelerômetro no núcleo. No entanto, ondas sísmicas, modelos de densidade como o PREM e as leis da gravitação Elas nos permitem reconstruir com considerável confiança como a gravidade (g) varia dentro do planeta. A principal conclusão é que a gravidade máxima está localizada no interior, não na superfície ou no centro absoluto.
No final das contas, a ideia de que a gravidade é "sempre a mesma" está longe de ser verdadeira. Entre as variações com o altitude, latitude, relevo, distribuição da massa superficial e estrutura das camadas internasO campo gravitacional da Terra revela-se um sistema dinâmico e cheio de nuances. A zona de gravidade máxima situa-se a cerca de 3.000 quilômetros abaixo da superfície, enquanto que na superfície as variações são sutis, mas mensuráveis, suficientemente grandes para alterar a escala de uma balança e precisas o bastante para revelar como a massa está distribuída no nosso planeta.
