Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Oxford, da Universidade de Leeds e do University College London identificou uma nova restrição na química do núcleo da Terra, ao demonstrar como ele conseguiu se cristalizar milhões de anos atrás. O estudo foi publicado hoje (4 de setembro) na Nature Communications.
Os pesquisadores mostraram que o núcleo precisaria ser constituído por 3,8% de carbono para ter início a cristalização. Esse resultado indica que o carbono pode ser mais abundante no núcleo da Terra do que se pensava anteriormente, e que esse elemento poderia ter desempenhado um papel fundamental na forma como se solidificou, oferecendo uma rara visão dos processos que ocorrem no coração do nosso planeta.
O núcleo interno da Terra, uma massa sólida rica em ferro no centro do nosso planeta, está lentamente crescendo à medida que o núcleo externo fundido ao seu redor esfria e se solidifica. Mas esse processo tem sido motivo de debate entre os cientistas por décadas.
A formação do núcleo interno não se trata apenas de determinar quando o núcleo esfriou até seu ponto de congelamento, mas envolve também o processo de cristalização, que depende da sua composição química exata. Assim como as gotas de água em nuvens, que podem esfriar a -30 °C antes de formar granizo, o ferro fundido precisa ser sub resfriado (esfriado abaixo do seu ponto de fusão) antes de poder congelar.
Cálculos anteriores sugeriram que seriam necessários entre 800 a 1000 °C de sub resfriamento para iniciar o congelamento do núcleo se ele fosse composto apenas por ferro puro.
No entanto, se o núcleo for sub resfriado a esse ponto, os pesquisadores demonstraram que o núcleo interno cresceria de forma massiva, e o campo magnético da Terra falharia. Mas nenhum desses resultados ocorreu ao longo da história do nosso planeta. Em vez disso, os cientistas acreditam que, no passado, o núcleo poderia ter esfriado no máximo cerca de 250 °C abaixo de seu ponto de fusão.
Esta nova pesquisa visou entender como o núcleo interno existe conforme observado hoje com um sub resfriamento tão limitado no passado. Sem acesso direto ao profundo interior da Terra, a equipe de pesquisa precisou se basear em simulações computacionais do processo de congelamento.
Eles examinaram a presença de outros elementos, especificamente silício, enxofre, oxigênio e carbono, e como esses poderiam afetar o processo de congelamento.
“Cada um desses elementos existe no manto sobrejacente e, portanto, poderia ter sido dissolvido no núcleo ao longo da história da Terra”, explicou o coautor, professor associado Andrew Walker (Departamento de Ciências da Terra, Universidade de Oxford). “Como resultado, isso poderia explicar por que temos um núcleo interno sólido com relativamente pouco sub resfriamento nesta profundidade. A presença de um ou mais desses elementos também poderia justificar por que o núcleo é menos denso do que ferro puro, uma observação fundamental da sismologia.”
Utilizando simulações computacionais em escala atômica de cerca de 100.000 átomos em temperaturas e pressões super resfriadas equivalentes às do núcleo interno, a equipe de pesquisa rastreou a frequência com que pequenos agrupamentos de átomos similares a cristais se formaram a partir de um líquido. Esses eventos de “nucleação” são os primeiros passos em direção ao congelamento.
O que descobriram foi surpreendente: silício e enxofre, elementos frequentemente assumidos como presentes no núcleo, na verdade desaceleram o processo de congelamento. Em outras palavras, seria necessário mais sub resfriamento para começar a formar o núcleo interno se esses elementos fossem abundantes naquela parte da Terra.
Por outro lado, descobriram que o carbono ajudou a acelerar o congelamento na simulação.
No estudo, os pesquisadores testaram quanto sub resfriamento seria necessário para congelar o núcleo interno se 2,4% da massa do núcleo fosse composta de carbono. O resultado: cerca de 420 °C, ainda muito alto, mas o resultado mais próximo da viabilidade até agora.
No entanto, quando extrapolaram seus resultados para um caso em que 3,8% da massa do núcleo é carbono, o sub resfriamento necessário caiu para 266 °C. Esta é a única composição conhecida que poderia explicar tanto a nucleação quanto o tamanho observado do núcleo interno.
Esse resultado indica que o carbono pode ser mais abundante no núcleo da Terra do que se pensava anteriormente, e que sem esse elemento, a formação de um núcleo interno sólido talvez nunca tivesse ocorrido.
Os experimentos também mostram que o congelamento do núcleo interno foi possível com a química correta, e ao contrário da água quando forma granizo, ele ocorreu sem “sementes de nucleação”, partículas minúsculas que ajudam a iniciar o congelamento. Isso é vital, pois, quando testados em simulações anteriores, todos os candidatos a sementes de nucleação no núcleo derreteram ou se dissolveram.
O autor principal, Dr. Alfred Wilson (Escola de Terra e Meio Ambiente, Universidade de Leeds) disse: “É empolgante ver como processos em escala atômica controlam a estrutura e a dinâmica fundamentais do nosso planeta. Ao estudar como o núcleo interno da Terra se formou, não estamos apenas aprendendo sobre o passado do nosso planeta. Estamos obtendo uma rara visão sobre a química de uma região que nunca seremos capazes de alcançar diretamente e aprendendo sobre como ela poderia mudar no futuro.”
Cientistas debateram quando o núcleo interno começou a solidificar por décadas, com alguns defendendo um núcleo interno antigo (com o congelamento começando há mais de dois bilhões de anos) e outros sugerindo uma idade muito mais jovem (menos de meio bilhão de anos). Com essa nova informação sobre o conteúdo de carbono do núcleo, estamos um passo mais perto de restringir sua química e propriedades físicas, e, portanto, como ele evoluiu.
O trabalho foi financiado pelo Conselho de Pesquisa Ambiental Natural (NERC).
