Alta temperatura na termosfera impossibilita as viagens espaciais?
Adaptação do texto do Prof. Fernando Lang publicado no CREF.



A termosfera é uma região próxima do nosso planeta, que começa a cerca de 85 km de altitude e se estende até cerca de 600 km. É portanto dentro da termosfera que orbita a Estação Espacial Internacional pois sua órbita se encontra a cerca de 340 km de altitude. A densidade da termosfera é no máximo (nas partes inferiores da mesma) cerca de 100 mil vezes menor do que a densidade da atmosfera na superfície do planeta.  Portanto a termosfera é uma região onde existe um gás em baixíssima pressão, é (quase) vácuo.



Vamos então imaginar que um pedaço de alumínio de 1 cm3 esteja imerso neste gás rarefeito, embora na temperatura de 2000°C.  Imaginemos que inicialmente este pequeno pedaço de metal se encontre a cerca de 20°C. Suponhamos também que este pequeno pedaço de metal pudesse absorver toda a energia disponível em um volume de gás de 1 L, esfriando então o gás, portanto em um volume de gás mil vezes maior do que o volume de alumínio (Esta suposição já é por si só quase impossível de ser concretizada pois as trocas de energia (calor) entre o pedaço de alumínio  e o seu entorno é um efeito de superfície do metal e qualquer gás é péssimo condutor térmico).  Então é fácil demonstrar que a temperatura do pedaço de metal subiria por cerca de 3°C caso ele não perdesse energia por radiação térmica. Nas partes mais altas da termosfera, onde a densidade é ainda menor (um milhão de vezes menor do que a densidade que usamos no cálculo anterior), a temperatura do pedaço de metal aumentaria por 3 milionésimos de grau célsius!



Ou seja, dado que a termosfera é praticamente vácuo, apesar da alta temperatura, não há energia térmica disponível para aquecer qualquer pedaço de matéria sólida que por ali esteja. Assim sendo não dá para fazer churrasco colocando o espeto com carne para fora da Estação Espacial Internacional e talvez isto explique porque gaúchos ainda não foram até lá. 😎



Os escudos térmicos das naves são necessários por outra razão, quando a nave em altíssima velocidade entra em contato com atmosfera das camadas mais baixas e densas, ela perde energia mecânica para o gás atmosférico aquecendo-o por compressão adiabática e aquecendo a própria nave.



Perguntas:



Uma vez que o coeficiente de convecção do ar é baixo e o gás é rarefeito, a transferência de energia térmica para qualquer matéria sólida nessa altitude seria prioritariamente por radiação térmica? Gostaria que o senhor comentasse sobre a dinâmica deste fenômeno, quantidade de energia térmica recebida e trocada com o meio.



Resposta:



Superfícies metálicas polidas são péssimas emissoras e absorventes de radiação térmica conforme pode-se observar em tabelas de emissividade. Portanto é fácil de quase impedir as trocas por radiação térmica, bastando para tal que a superfície do objeto seja metálica e polida.



Por qual motivo as naves espaciais aquecem-se durante a reentrada na atmosfera?



Resposta:



Quando a nave, em alta velocidade, encontra a atmosfera mais densa existe aquecimento que supera em muito a temperatura da atmosfera.Vide a postagem:Aquecimento de objetos pelo “atrito” com a atmosfera.



Adendo:



Como é medida a temperatura da termosfera?



A termosfera é diferente da atmosfera mais baixa, porque diferentes tipos de matéria têm temperaturas diferentes. Especificamente, moléculas e átomos com carga eletrônica neutra têm o que chamamos de temperatura “neutra” e elétrons (com carga negativa) têm o que chamamos de temperatura do elétron.



A temperatura neutra pode ser medida indiretamente pelo arrasto atmosférico em satélites ou foguetes. A quantidade de arrasto depende da densidade. Quando a densidade e a composição são conhecidas, a temperatura pode ser calculada.



A temperatura do elétron pode ser medida usando um “Incoherent Scatter Radar”. Um radar envia um poderoso feixe de rádio de uma única frequência conhecida para a termosfera que ricocheteia nos elétrons. Como os elétrons estão em movimento, o feixe do radar será alterado pelo doppler, dependendo se os elétrons estão se movendo na direção ou fora do radar. A radiação refletida no prato do radar mostrará uma gama de frequências. A partir das características da faixa de frequências (por exemplo, quão ampla é a faixa de frequências), podemos derivar uma temperatura dos elétrons.



Auroral ionospheric and thermospheric measurements using the incoherent scatter technique



Fontes:



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