O núcleo do nosso planeta, extremamente rico em ferro e localizado no centro da Terra, teve um papel determinante na evolução terrestre. Para lá de sustentar o campo magnético que protege a atmosfera e os oceanos da radiação solar, o núcleo também condiciona a tectónica de placas - o motor que, ao longo de milhões de anos, tem remodelado continuamente os continentes.
Apesar de ser tão decisivo, continuam por esclarecer várias características essenciais do núcleo. Ainda não sabemos com precisão qual é a sua temperatura, qual é exactamente a sua composição, nem em que momento começou a solidificar.
Uma descoberta recente, realizada por mim e pelos meus colegas, aproxima-nos significativamente de resolver estes três enigmas.
Sabemos que a temperatura do núcleo interno da Terra é, de forma muito aproximada, de cerca de 5.000 Kelvin (K) (4.727°C). Em tempos foi líquido, mas foi arrefecendo e solidificando com o passar do tempo, expandindo-se para fora durante esse processo. À medida que arrefece, liberta calor para o manto sobrejacente, alimentando as correntes que estão na base da tectónica de placas.
Esse mesmo arrefecimento também está ligado à geração do campo magnético terrestre. Hoje, a maior parte da energia do campo provém da solidificação da parte líquida do núcleo e do crescimento do núcleo interno sólido no centro do planeta.
Contudo, como não conseguimos aceder directamente ao núcleo, somos obrigados a estimar as suas propriedades para compreender de que forma está a arrefecer.
Uma peça-chave para decifrar o núcleo é conhecer a sua temperatura de fusão. A posição da fronteira entre o núcleo interno sólido e o núcleo externo líquido é conhecida graças à sismologia (o estudo dos sismos).
A temperatura do núcleo tem de coincidir com a sua temperatura de fusão nesse ponto, porque é aí que ocorre a solidificação. Assim, se soubermos exactamente qual é a temperatura de fusão, podemos inferir com maior rigor a temperatura real do núcleo - e, por consequência, obter pistas sobre o que o compõe.
Química misteriosa do núcleo terrestre
De forma tradicional, existem duas vias principais para inferir a composição do núcleo: o estudo de meteoritos e a sismologia.
Ao analisar a química de meteoritos - considerados fragmentos de planetas que nunca chegaram a formar-se, ou partes dos núcleos de planetas semelhantes à Terra que foram destruídos - é possível obter uma ideia do que o nosso núcleo poderá conter.
O problema é que esta abordagem oferece apenas uma estimativa grosseira. Os meteoritos indicam que o núcleo deve ser constituído sobretudo por ferro e níquel e, possivelmente, por alguns pontos percentuais de silício ou enxofre, mas é difícil ir além desta generalidade.
A sismologia, por seu lado, permite ser muito mais precisa. Quando as ondas sísmicas atravessam o interior do planeta, aceleram ou abrandam conforme os materiais que encontram no caminho.
Ao comparar o tempo que essas ondas demoram a viajar (do sismo ao sismómetro) com a velocidade com que ondas semelhantes atravessam minerais e metais em experiências laboratoriais, torna-se possível inferir do que é feito o interior da Terra.
Os resultados mostram que, para explicar os tempos de propagação observados, o núcleo terrestre tem de ser cerca de 10% menos denso do que ferro puro e, além disso, o núcleo externo líquido tem de ser mais denso do que o núcleo interno sólido. Apenas algumas combinações químicas plausíveis conseguem produzir estas propriedades.
Ainda assim, mesmo dentro de um conjunto relativamente pequeno de candidatos, as temperaturas de fusão possíveis diferem em centenas de graus - o que impede conclusões firmes sobre as propriedades exactas do núcleo.
Uma nova restrição sobre a composição do núcleo
Na nossa investigação mais recente, recorremos à física dos minerais para analisar de que modo o núcleo poderá ter começado a solidificar, encontrando uma nova forma de abordar a química do núcleo. Esta estratégia aparenta ser ainda mais específica do que as pistas fornecidas pela sismologia e pelos meteoritos.
Estudos que simulam como os átomos em metais líquidos se organizam para formar sólidos mostram que certas ligas necessitam de um nível de “subarrefecimento” mais intenso do que outras.
Subarrefecimento é o fenómeno em que um líquido é arrefecido para abaixo da sua temperatura de fusão sem solidificar de imediato. Quanto mais intenso for o subarrefecimento, maior é a frequência com que os átomos se juntam e formam estruturas sólidas - e mais rapidamente o líquido congela. Uma garrafa de água no congelador pode manter-se em subarrefecimento a -5°C durante horas antes de congelar; já o granizo pode formar-se em minutos quando gotículas de água são arrefecidas até cerca de -30°C nas nuvens.
Ao explorarmos todas as temperaturas de fusão possíveis para o núcleo, concluímos que o máximo subarrefecimento plausível terá sido de aproximadamente 420°C abaixo da temperatura de fusão - valores superiores fariam com que o núcleo interno fosse maior do que o indicado pela sismologia. Porém, o ferro puro exigiria um subarrefecimento impossível de cerca de 1.000°C para começar a solidificar. Se arrefecesse tanto, todo o núcleo teria congelado, em contradição com o que os sismólogos observam.
A introdução de silício e enxofre - elementos que tanto os meteoritos como a sismologia apontam como possíveis no núcleo - agrava o problema, pois exigiria ainda mais subarrefecimento.
A nossa nova investigação analisou, em particular, o impacto do carbono no núcleo. Se 2,4% da massa do núcleo fosse carbono, seria necessário um subarrefecimento de cerca de 420°C para iniciar a solidificação do núcleo interno. Esta é a primeira vez que se demonstra que a solidificação do núcleo pode, de facto, ser viável. Se o teor de carbono fosse de 3,8%, bastariam 266°C de subarrefecimento. Continua a ser um valor elevado, mas torna-se muito mais credível.
Este resultado mostra que, embora a sismologia consiga restringir a química possível do núcleo a várias combinações de elementos, muitas dessas combinações não conseguem explicar a existência do núcleo interno sólido no centro do planeta.
Ainda assim, o núcleo não pode ser composto apenas por ferro e carbono, porque as propriedades sísmicas exigem pelo menos mais um elemento. Os nossos dados sugerem que é mais provável a presença de algum oxigénio e, possivelmente, também silício.
Este avanço representa um passo importante para compreender do que é feito o núcleo, como começou a solidificar e de que forma tem influenciado a Terra a partir do seu interior.
Porque esta descoberta importa para o campo magnético e para a tectónica de placas
Ao limitar as combinações químicas capazes de permitir a solidificação do núcleo interno, este trabalho ajuda também a clarificar a história energética do planeta. A libertação de calor e os processos associados à solidificação são fundamentais para manter a convecção no núcleo externo líquido - e é essa dinâmica que sustenta o campo magnético ao longo do tempo geológico. Ao mesmo tempo, o fluxo de calor para o manto liga-se, indirectamente, à actividade tectónica que molda a superfície terrestre.
O que falta esclarecer a seguir
Mesmo com estas novas restrições, continuam a existir perguntas em aberto: qual é a proporção exacta de elementos leves (como carbono, oxigénio e silício) e como variam as propriedades do núcleo sob pressões e temperaturas extremas. Melhorar modelos e experiências de física mineral, bem como integrar novos dados sísmicos, será essencial para transformar estas estimativas em valores cada vez mais precisos.
Alfred Wilson-Spencer, investigador (Research fellow) em Física dos Minerais, Universidade de Leeds
Este artigo foi republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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