Água: Projetada para a vida (7 de 7)

Deus escolhendo a Terra para nela por água (Imagem gerada por IA em Google Whisk)

Leia também: Parte 1 - Parte 2 - Parte 3 - Parte 4 - Parte 5 - Parte 6

por John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville
27 de junho de 2013

Os escritores convidados John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville encerram esta série de sete partes sobre água com uma discussão sobre a raridade da água líquida em nosso sistema solar. Parece que apenas a Terra manteve a quantidade certa de água líquida para sustentar a vida avançada.

    Água, água por toda parte,
    E todas as tábuas retraíram,
    Água, água por toda parte,
    Nem uma gota para beber

Esta famosa estrofe do poema de Samuel Taylor Coleridge, "O Conto do Velho Marinheiro", expressa o estranho paradoxo familiar a todos os marinheiros: estar cercado por uma abundância de água, mas não poder bebê-la. Um ser humano morre em poucos dias sem água fresca e sem sal. Que estranha ironia que alguém possa morrer de sede no meio de um oceano cheio de água.

Como vimos nos segmentos anteriores desta série, a água revela um design surpreendente. A água não é apenas excepcional — ela é única em muitos aspectos essenciais para a manutenção da vida. E a excepcionalidade da água não para por aí. A abundância de água líquida na Terra é mais uma evidência do design do nosso planeta e do sistema solar.

A Abundância de Água Líquida na Terra

A Terra é única e distintamente o planeta água. Oceanos e mares cobrem quase 71% da superfície do planeta, a uma profundidade média de 3,7 quilômetros — mais de 3.600 metros, mais profundo do que a altura da maioria das montanhas! Se adicionarmos lagos, rios, geleiras e calotas polares, a água cobre quase 75% da Terra. No total, a Terra contém aproximadamente 1,368 bilhão de quilômetros cúbicos (mais de 332 milhões de milhas cúbicas) de água. [1]

Como demonstra o poema de Coleridge, a água está no cerne de um paradoxo galáctico. A água é a terceira molécula mais abundante no universo [2] — mas a água líquida é excepcionalmente rara! A Terra, por outro lado, é tão abençoada com água líquida que a tomamos como garantida, chegando a desperdiçá-la e esbanjá-la. Como explicamos essa incrível abundância?

Um Conto de Dois Planetas

De certa forma, Vênus e Marte são gêmeos quase idênticos da Terra (veja a Figura 1). O diâmetro de Vênus é apenas 5% menor que o da Terra, enquanto a massa de Marte é cerca de um décimo da massa da Terra. Suas órbitas são semelhantes às da Terra, embora Vênus esteja 30% mais próximo do Sol e Marte 50% mais distante. Considerando esses fatores, seria de se esperar que esses dois planetas compartilhassem a capacidade da Terra de sustentar água líquida. De fato, até poucas décadas atrás, muitas pessoas presumiam que Marte era um paraíso repleto de vida inteligente. [3] No entanto, sondas reais revelaram que ambos os planetas são desprovidos de água líquida e vida. A Terra, rica em água, é a regra galáctica e Marte e Vênus a exceção — ou o inverso é verdadeiro?

Figura 1: Comparação de tamanho de (da esquerda para a direita) Mercúrio, Vênus, Terra e Marte em cores reais. (Imagem de Allice Hunter em Wikimedia Commons, Domínio Público)

Os cientistas agora sabem que, em sua juventude, Vênus continha água e experimentou um clima mais temperado. Hoje, é um mundo seco e escaldante. [4] Sua atmosfera extremamente densa tem pressões atmosféricas 90 vezes maiores que as da Terra. Essa atmosfera espessa e retentora de calor faz com que as temperaturas na superfície de Vênus cheguem a 480 °C (900 °F). Então, o que transformou um planeta Cinderela em uma meia-irmã feia? Embora os cientistas ainda busquem uma resposta completa para essa pergunta, o superaquecimento descontrolado e a perda de água devido à atmosfera espessa apresentam uma possível explicação.

Dada a maior massa da Terra, sua atmosfera deveria ser ainda mais espessa que a de Vênus — o que teria impedido a Terra de sustentar água ou vida. Entretanto, o evento de colisão que resultou na formação da Lua removeu a atmosfera da Terra primitiva, semelhante à de Vênus. [5] A atmosfera que emergiu posteriormente é quarenta vezes mais fina do que a que encontramos em Vênus, permitindo assim que a Terra permanecesse fria e úmida.

Assim como Vênus, Marte começou com água líquida. Sua superfície hoje, porém, está ressecada e congelada. A distância de Marte do Sol e a atmosfera quase inexistente (removida como resultado da menor massa do planeta e da maior proximidade de Júpiter) levaram ao congelamento descontrolado, com a temperatura média da superfície em frígidos -55 °C (-67 °F). [6] A falta de atmosfera também significa que qualquer água da superfície em Marte evaporaria imediatamente. Alguma água pode permanecer, mas apenas como permafrost preso sob a superfície ou como gelo perto dos polos. Água líquida pode ocasionalmente irromper (por exemplo, devido ao aquecimento vulcânico) e criar padrões de erosão, mas essa água não duraria muito. [7] Sem água de longa duração, Marte permanecerá desprovido de vida. [8]

Nosso Sistema Solar

Os demais planetas do nosso sistema solar são ainda mais hostis à vida. Mercúrio, o mais próximo do Sol, pode atingir escaldantes 427 °C (800 °F) — temperatura excessiva para água líquida. Na outra direção, temos Saturno, Júpiter, Urano e Netuno, todos frios demais. Mesmo que contenham água, ela seria apenas gelo sólido.

Curiosamente, o outro lugar conhecido com água líquida em nosso sistema solar não é um planeta, mas Europa, uma das luas de Júpiter (veja a Figura 2). [9] A temperatura da superfície de Europa é de -162 °C (-260 °F), mas o aquecimento de maré de seu núcleo (causado pela gravidade de Júpiter) mantém uma camada subterrânea de água em estado líquido. Estimativas atuais indicam que Europa possui uma camada de gelo com cerca de 16 quilômetros de espessura, com 80 quilômetros de oceano abaixo dela. [10] Esses dados inspiraram algumas pessoas a especular sobre a possibilidade de vida em Europa, mas, embora existam argumentos significativos contra essa noção, não há evidências reais para apoiá-la. [11]

Figura 2: Europa, lua de Júpiter. (Foto capturada pela JunoCam, a câmera de engajamento público a bordo da espaçonave Juno da NASA, durante o sobrevoo da missão em 29/set/2022 | NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS | Processamento de imagem: Kevin M. Gill, CC BY 3.0)

Zona Habitável

A partir dessa análise do nosso sistema solar, vemos a base para um princípio bem conhecido: planetas muito próximos de suas estrelas serão quentes demais para a vida, enquanto aqueles muito distantes serão frios demais. Em nosso sistema solar, apenas a Terra se encontra na região "Cachinhos Dourados", entre esses dois extremos hostis, onde a água líquida pode permanecer em grande parte da superfície do planeta. Os astrônomos se referem a essa região como "zona habitável" porque planetas fora dela não conseguem manter água líquida e, portanto, não podem sustentar vida. [12]

A localização da zona habitável depende principalmente do brilho da estrela (ou tipo de estrela). Por exemplo, quanto mais fria e fraca for a estrela, mais próxima dela estará a zona habitável. Diversos outros fatores, como a natureza e a espessura da atmosfera do planeta, também modificam a zona habitável.

Contudo, como o brilho de cada estrela varia ao longo de sua vida (o Sol aumentou seu brilho em 30% nos últimos 4,5 bilhões de anos), a zona habitável muda de acordo. [13] Por exemplo, se a estrela aumentar de brilho, a zona habitável se afastará dela. Para manter água líquida e vida, um planeta deve residir dentro da zona habitável durante toda a sua vida. A faixa de distâncias em que a habitabilidade permanece viável é chamada de zona continuamente habitável (ZCH); consequentemente, a ZCH é muito mais estreita do que a zona habitável em geral.

Exoplanetas

Quando a busca por planetas extrassolares (exoplanetas) começou, os pesquisadores esperavam encontrar muitos planetas quentes e aquosos semelhantes à Terra, com base em modelos iniciais que sugeriam que a maioria dos sistemas planetários deveria ser semelhante ao nosso.

A primeira detecção positiva de um exoplaneta ocorreu em 1995; desde então, centenas de outros foram encontrados. Atualmente (esses números aumentam frequentemente), há 861 exoplanetas confirmados em 677 sistemas planetários, bem como 2.740 candidatos a planetas {website alternativo da Missão Kepler da NASA aqui e aqui}. No entanto, ao contrário das expectativas, essa amostragem de exoplanetas não conseguiu encontrar nenhum sistema solar com um planeta capaz de hospedar qualquer forma de vida. Muitos cientistas ainda estão otimistas de que tais planetas serão encontrados, mas nenhum foi encontrado até o momento. [14] Por exemplo, muitos possuem planetas semelhantes a Júpiter orbitando muito perto de suas estrelas, uma situação que perturbaria pequenos planetas rochosos dentro do sistema. [15] Esses dados ressaltam fortemente a singularidade da Terra.

Retenção de Água Líquida

A retenção de água é indesejável para as pessoas, mas crucial para a habitabilidade de um planeta. Normalmente, os planetas começam com uma certa quantidade de água e podem ganhar quantidades adicionais com o influxo de cometas. Isso certamente se aplicava aos nossos vizinhos Vênus e Marte, mas hoje ambos estão secos e mortos. Então, por que a Terra manteve um suprimento abundante de água?

A temperatura e a gravidade da superfície de um planeta determinam sua capacidade de reter água e outros gases por bilhões de anos. Juntos, esses fatores decidem quais moléculas têm energia suficiente para escapar da gravidade do planeta e se dissipar no espaço. Como a massa de um planeta é o principal determinante de sua gravidade superficial, a gravidade da superfície de planetas menores é muito baixa para reter água (por exemplo, Marte e talvez Vênus), enquanto planetas mais massivos retêm muitos gases (por exemplo, Júpiter e Saturno).

A Terra, por outro lado, demonstra um notável grau de ajuste fino. Sua gravidade superficial é alta o suficiente para preservar sua água (peso molecular 18), mas baixa o suficiente para permitir que o metano (peso 16) e a amônia (peso 17) se dissipem no espaço. (Ambos os gases de efeito estufa são tóxicos para a vida.) A massa e a temperatura da superfície da Terra devem estar corretas, dentro de uma pequena porcentagem, para reter nossos oceanos e não sufocar as formas de vida com metano e amônia. [16]

Mas Não Muita Água

Surpreendentemente, a conhecida expressão "quanto mais, melhor" nem sempre se aplica à quantidade de água que um planeta contém. Mesmo considerando os benefícios da água, o excesso seria prejudicial à habitabilidade. Terras secas e áreas costeiras são nichos críticos para a vida, enquanto oceanos profundos são comparáveis ​​a desertos (em termos de biodiversidade). Se a Terra fosse um mundo aquático com todos os continentes submersos, sua capacidade de sustentar vida diversificada seria severamente limitada. [17] Vida avançada como a dos seres humanos certamente teria sido impossível.

Astrônomos descobriram que tal destino era uma possibilidade real para a Terra. A nebulosa solar que deu origem ao nosso sistema solar continha muita água que foi incorporada na formação dos planetas. Se assumirmos que a Terra recebeu a concentração média da nebulosa, nosso planeta teria tido 1.000 vezes mais água do que agora. [18] Embora grande parte dessa água tenha sido perdida durante o estágio de formação da Terra, ela ainda teria retido muito mais. Porém, a mesma colisão de formação da Lua que ajudou a tornar a atmosfera da Terra primitiva mais fina também removeu a maior parte do excesso de água. [19] Esse evento teve que ser extremamente ajustado para remover água suficiente para permitir a formação de grandes continentes, enquanto ainda permitia que o planeta mantivesse uma abundância do fluido vital.

Conclusão – Terra Rara

Apesar da abundância de água em toda a galáxia, quantidades significativas de água líquida, retidas por períodos cosmicamente significativos, são extremamente improváveis. Especificamente, o planeta deve:

• Orbitar sua estrela-mãe na distância correta (ou seja, estar localizado dentro da ZCH);
• Tenha a atmosfera certa - nem muito espessa nem muito fina;
• Ter gravidade alta o suficiente para reter água líquida, mas baixa o suficiente para permitir que outros gases leves escapem da atmosfera; e
• Mantenha essas condições em níveis relativamente constantes por pelo menos vários bilhões de anos.

A raridade da água líquida demonstra que a Terra é realmente uma joia extraordinária. Isso também representa um sério dilema para aqueles que buscam vida em outros planetas, visto que a água líquida é essencial para a manutenção da vida. (Esperamos abordar a possibilidade de vida existir sem água em artigos futuros.) Para os cristãos, Entretanto, a água é apenas mais um motivo para louvar o Criador, que projetou nosso habitat para o nosso benefício.

Dr. John Millam
O Dr. John Millam recebeu seu doutorado em química teórica pela Rice University, em 1997, e atualmente atua como programador na Semichem em Kansas City.

Ken Klos
O Sr. Ken Klos recebeu seu mestrado em estudos ambientais pela Universidade da Flórida em 1971 e trabalhou como engenheiro ambiental/civil para o estado da Flórida.

Dr. Iain D. Sommerville
O Dr. Iain D. Sommerville recebeu seu doutorado pela Universidade de Strathclyde, Glasgow, Escócia, em 1966, e atualmente atua como professor emérito de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Toronto.

Notas de Fim

1. U.S. Geological Survey, “How Much Water Is There On, In, and Above the Earth?”, última modificação em 23 de maio de 2013, acessado em 14 de abril de 2013, https://ga.water.usgs.gov/edu/earthhowmuch.html.
2. Hidrogênio (H₂) e hidrogênio protonado (H₃) são as duas moléculas mais comuns no universo.
3. Stephen Webb, If the Universe Is Teeming with Aliens…Where Is Everybody? (New York: Copernicus Books, 2002), 37.
4. Paul Raeburn, “Venus, the Unexplored Planet Right Next Door”, Discover (junho de 2012): 62–64.
5. Hugh Ross, The Creator and the Cosmos, 3 ed. (Colorado Springs: NavPress, 2001), 184–85. {Link para a 4ª edição}
6. Stuart Ross Taylor, Destiny or Chance (Cambridge: Cambridge University Press, 2000), 118.
7. Ibid., 123–26.
8. Fazale Rana e Hugh Ross, Origins of Life (Colorado Springs: Navpress, 2004), 190–95. {Link para a edição de 2014}
9. Gregory Mone, “Frozen. Irradiated. Desolate. Alive?” Discover (novembro de  2012): 30–37.
10. Ibid., 32.
11. A cientista Britney Schmidt está desenvolvendo a ideia de que a rachadura e o recongelamento que ocorrem na camada de gelo de Europa poderiam permitir a mistura entre a água da superfície e a subterrânea. Isso permitiria que certos produtos químicos da superfície (SO₂, peróxido) atingissem a camada de água, onde poderiam então impulsionar a química da vida; ver Mone, “Frozen. Irradiated. Desolate. Alive?”, 30–37. Há, contudo, uma série de razões para concluir que Europa poderia abrigar apenas uma quantidade trivial de vida microscópica, na melhor das hipóteses, mas certamente não vida avançada. Essas razões incluem: (1) a enorme pressão da água sob quilômetros de gelo; (2) toda a água congelando em estado sólido às vezes devido ao aquecimento episódico das marés; (3) água extremamente salgada; e (4) ausência de luz e pouca energia química disponível para o metabolismo; ver Guillermo Gonzalez e Jay W. Richards, The Privileged Planet (Washington, DC: Regnery Publishing, 2004), 88–90. Ver também Rana e Ross, Origins of Life, 197–201; Peter Ward, Life As We Do Not Know It (Londres: Penguin Books, 2005), 197–214.
12. Peter D. Ward e Donald Brownlee, Rare Earth (Nova Iorque: Copernicus Books, 2000), 15–21; Gonzalez e Richards, The Privileged Planet, 127–36.
13. Gonzalez e Richards, The Privileged Planet, 132.
14. Sam Flamsteed, “Impossible Planets”, Discover, setembro de 1997, 78–83; Tim Folger, “NASA’s Inspiring, Enlightening, and Successful Search for New Earths”, Discover, maio de 2011, https://discovermagazine.com/2011/may/25-inspiring-enlightening-story-nasas-search-new-earths#.UcDMxtiE6E9.
15. Hugh Ross, Why the Universe is the Way it is (Grand Rapids, MI: Baker Books, 2008), 62–63.
16. Ibid., 180–81.
17. Ward e Brownlee, Rare Earth, 205–206.
18. Taylor, Destiny or Chance, 142–43.
19. Ross, The Creator and the Cosmos, 184–85.

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Traduzido de Water: Designed for Life, Part 7 (of 7) (RTB)

Etiquetas:

propriedades físico-químicas da água - Argumento do Relojoeiro - zonas habitáveis no universo, nas galáxias, nos sistemas planetários