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16 de abril de 2019

Atualizando as viagens ao centro da Terra

Por Marco Gonzalez

Como sabemos o que sabemos sobre o núcleo da Terra? Como é possível estimar sua densidade, seu tamanho, sua constituição, suas subdivisões e uma série de outras características e propriedades? Felizmente, sendo possível este conhecimento, podemos entender uma série de processos que ocorrem aos nossos pés, além de nos permitir imaginar como a Terra foi formada, como evoluiu e como evoluirá.

Imagem esquemática mostrando a estrutura da Terra
Imagem esquemática mostrando a estrutura da Terra com o núcleo interno (no centro, em amarelo) e as demais subdivisões em direção ao exterior: núcleo externo (em amarelo mais claro), manto inferior, manto superior e crosta terrestre (fonte: CharlesC)

Acredita-se que o núcleo da Terra seja subdividido em duas partes: uma líquida fundida (o núcleo externo) e outra sólida (o núcleo interno), com uma transição entre elas a 5.156 km de profundidade. Recentemente, estudos indicaram haver ainda uma outra subdivisão. Lançando mão de todos os recursos científicos e tecnológicos disponíveis, o conhecimento sobre a porção mais interna do nosso planeta vai se ampliando.

Como sabemos o que sabemos?

Além de não possuirmos a tecnologia necessária para uma "viagem ao centro da Terra", ainda não está claro como seria possível fazê-la. Os fenômenos geológicos que conhecemos, como as erupções vulcânicas, acontecem próximos à superfície. A escavação mais profunda feita pelo homem, o poço Kola Superdeep, na Rússia, atingiu pouco mais de 12 km de profundidade, o que corresponde a cerca de 0,2% do raio do nosso planeta.

Se há um século nem sabíamos que a Terra tinha um núcleo, como sabemos o que sabemos sobre o núcleo da Terra que está a aproximadamente 2.900 km abaixo de nós?

Sobre o tamanho do núcleo e a Descontinuidade de Lehmann

Até a década de 1930, pensava-se que nosso planeta guardava um enorme reservatório de rocha líquida em sua parte central. Foram os dados sismológicos de um terremoto de magnitude 7,3, que abalou uma ilha da Nova Zelândia em 1929, detectado por sismógrafos na Europa, que indicaram ser impossível um núcleo totalmente líquido.
Esquemas de propagação e de uma onda P, à esquerda, e de uma onda S, à direita.
Onda P é uma onda sísmica com grande velocidade e com deslocamento de partículas que se comprimem e se expandem no sentido da propagação no interior da Terra.
Onda S é uma onda sísmica com velocidade mais baixa do que a onda P e que causa deslocamentos de partículas perpendicularmente à direção de propagação no interior da Terra. As ondas S têm grande dificuldade em se propagar em meio líquido.

As vibrações registradas por sismógrafos conseguem indicar a presença de materiais sólidos (onde reverberam) e líquidos (por onde normalmente tem dificuldade de passar). Assim, a dificuldade de captar ondas S apontou a presença de rochas em estado líquido após 2.900 km de profundidade (início do núcleo externo). 
    Ao contrário das ondas sísmicas S, as ondas P conseguem continuar mais facilmente além de 5.150 km, mesmo com desvios, e indicam que a partir daquela profundidade há algo sólido (o núcleo interno com um diâmetro de 1.220 km). A amplitude das ondas S, no núcleo interno, é tão baixa que não podem ser observadas em um sismograma individual.

    Descontinuidade de Lehmann (limite entre o núcleo externo e o manto) foi descoberta em 1936 e confirmada com sismógrafos mais sensíveis em 1970.

    A complexidade dos possíveis caminhos das ondas de compressão P e de cisalhamento S de um terremoto (Fonte: SEWilco)
    As velocidades das ondas sísmicas no interior da Terra versus a profundidade onde elas se propagam (Fonte: Brews ohare)
    Na seção transversal da Terra, à esquerda, é possível verificar como as ondas sísmicas passam pelo manto e se refletem na superfície (S, SS, P, PP e PPP). As ondas P passam pelo núcleo ainda como ondas de compressão (K) e se refletem na superfície (PKP), enquanto as ondas de cisalhamento S são convertidas em ondas de compressão (K) ao entrar no núcleo antes de se refletirem na superfície (SKS, SKP). 
    À esquerda, por simplificação, não foi esquematizado o caminho das ondas através do núcleo interno. 
    As ondas S tem velocidade desprezível no núcleo externo, onde são convertidas em ondas J.

    Sobre a composição do núcleo

    Analisando as propriedades sísmicas, é possível conjecturar sobre os possíveis constituintes do núcleo da Terra. Há indícios de que o núcleo externo tenha uma composição onde predominam ferro e níquel. Já o núcleo interno compartilha inclusive algumas propriedades elásticas semelhantes às do ouro e da platina. As velocidades das ondas sísmicas também sugerem a possível presença de enxofre e silício nas profundezas da Terra.

    Técnicas avançadas de laboratório têm confirmado o silício na parte central do nosso planeta. Como ele é comumente encontrado em meteoritos rochosos, é coerente que a formação da Terra tenha sido impulsionada por interações extensas entre meteoritos ricos em ferro no interior de uma nuvem de poeira e gás, há cerca de 4,5 bilhões de anos.

    Pesquisadores conseguiram, com simulações computacionais meticulosamente calibradas, determinar a quantidade máxima de nitrogênio que pode existir no núcleo externo da Terra. Chegaram a números correspondentes a 2% em peso no limite do manto central e cerca de 2,6% em peso no limite interno do núcleo.

    Sobre a densidade do núcleo

    Estudando os efeitos da sua gravidade, a massa da Terra é estimada em 5,9 sextilhões de toneladas. Como este valor não condiz com a densidade do material próximo à superfície do planeta, então há algo mais denso no seu interior. Esta suposição é coerente com a provável presença predominante de ferro no núcleo da Terra. É possível deduzir isto porque o ferro existe em enorme quantidade no Universo e, proporcionalmente, em muito menos quantidade na superfície da Terra. Em teoria, quando nosso planeta se formou, muito ferro deve ter descido até o núcleo aumentando a sua densidade principalmente em condições de elevada pressão.

    Densidades da Terra de acordo com o Modelo Preliminar de Referência da Terra - PREM (Fonte: AllenMcC)

    Estima-se que o núcleo externo da Terra tenha uma densidade média de 11,0 g/cm³, enquanto no núcleo interno a densidade média seria de 12,9 g/cm³. Estes valores são bem maiores que o da densidade média da crosta terrestre, que é de 2,5 g/cm³. A densidade média da Terra é estimada em 5,519 g/cm³.

    Sobre a viagem do ferro ao centro da Terra

    Sabe-se que o ferro tem dificuldade em atravessar material rico em silicatos, que são muito comuns na Terra. O ferro adere a si mesmo formando concentrações que se recusam a fluir. Sabe-se, porém, que isto não acontece quanto ambos (ferro e silicatos) são expostos a pressões extremas. Assim, é possível deduzir que, ao longo do tempo geológico, o ferro tenha conseguido se deslocar até o centro da Terra em virtude de sua estrutura cristalina em escala atômica ter se alterado devido à temperatura e à pressão a que o metal se viu exposto.

    Sobre a temperatura do núcleo

    Ao ser submetida a grande pressão, em laboratório, uma mistura com ferro (predominante) e outros materiais (candidatos a estarem presentes no núcleo da Terra), verificou-se que seu ponto de fusão alcança temperaturas tão elevadas quanto as do Sol.

    Temperatura versus profundidade no interior da Terra (Fonte: Bkilli1)

    Alguns pesquisadores estimam uma temperatura de 5.427°C para o núcleo interno da Terra, enquanto outros acreditam que ela pode exceder os 5.500ºC.

    Sabemos um pouco mais

    O calor das profundezas da Terra

    Há três fontes principais para o calor nas profundezas da Terra:

    1. a acumulação do calor que já existia quando o planeta se formou e que foi incrementado pela descida do material rico em ferro até o núcleo;
    2. o aquecimento friccional, causado pelo material mais denso que afunda em direção à parte central do planeta; e
    3. a decomposição de elementos radioativos (esta fonte ainda é incerta, pois é pouco conhecido o volume preciso dos elementos radioativos nas profundezas do planeta).

    Por outro lado, a manutenção das elevadas temperaturas do interior da Terra se deve à sua incapacidade de perder calor mais rapidamente. Até mesmo o transporte de calor convectivo constatado no manto sólido não consegue fornecer um mecanismo eficiente para diminuir a temperatura. Sabe-se que um pouco de calor é perdido através dos processos de movimentação das placas tectônicas, especialmente nas cordilheiras meso-oceânicas.

    Novas pesquisas comprovam que as placas tectônicas têm sua dinâmica impulsionada, de forma adicional e expressiva, através da força gerada pelo calor extraído do núcleo da Terra. Aproximadamente 50% desta dinâmica é causada pelo calor que vem do núcleo, sendo que 20 terawatts de fluxo de calor tem origem na fronteira entre o núcleo e o manto.

    Esquema de formação de uma superpluma (Fonte: Christyyc, simplificado)

    O calor interno do nosso planeta constitui um imenso estoque de energia que os vulcões vão lentamente dissipando ao expelir lavas que podem atingir 1.250º C ou mais. Neste sentido, contribuem as plumas do manto (ou superplumas), que são ressurgências quentes originadas por perturbações convectivas alimentadas pelo calor do núcleo.

    Solidificação do núcleo interno

    Há evidências de que todo o núcleo da Terra já tenha sido constituído por material líquido fundido. Paralelamente ao resfriamento do planeta, a parte interna do núcleo começou a solidificar. Alguns cientistas sugerem o início desta solidificação há 2,5 bilhões de anos.

    Outros, em estudos atuais, calculam uma data mais recente. Eles indicam que há cerca de 565 milhões de anos a solidificação do núcleo interno teve início e, assim, salvou o campo magnético do colapso iminente, além de o tornar mais forte. Com esta solidificação, a interação entre o núcleo interno e o externo impulsiona o geodínamo, ou seja, faz circular o fluido rico em ferro que alimenta o campo magnético.

    Acredita-se que o núcleo interno permaneça sólido porque as condições lá presentes tornam o ferro estável com um padrão de difusão atômica especial. Simulações computacionais indicam que, nas condições extremas do núcleo interno, o ferro assume uma estrutura cúbica (como na superfície da Terra, onde é estável) e não hexagonal (instável), como ocorre no núcleo externo líquido. Pode-se pensar que, no núcleo interno, a pressão é tão alta que o ferro não consegue derreter.

    O núcleo interno do núcleo interno

    Usando correlação cruzada em sismogramas, pesquisadores verificaram a possibilidade de o núcleo interno sólido ser menos rígido do que se pensava antes. Também identificaram uma complexidade em sua estrutura, ou seja, foi reconhecida uma parte mais interna ao próprio núcleo interno.

    Vários estudos de anisotropia do núcleo interno têm sugerido a presença de um núcleo interno mais interno com 300 a 600 quilômetros de raio. Esta região mais interna apresenta uma geometria anisotrópica distinta.

    Esquema mostrando os alinhamentos diferentes dos cristais nas duas partes do núcleo interno da Terra (baseado em Lachina)

    Dados sísmicos sugerem que os cristais da parte mais interna do núcleo interno estão alinhados em direção aproximadamente leste-oeste, perpendicularmente ao eixo polar. A outra porção, mais externa, possui cristais com alinhamento norte-sul. Esta diferença indica que as duas partes do núcleo interno podem ter sido formadas em condições distintas há cerca de meio bilhão de anos.

    As "viagens"

    É surpreendente que todas estas "viagens" (cientificamente embasadas, claro) foram realizadas sem que alguém tivesse realmente que viajar até o centro da Terra, assim como tentou fazer o personagem Axel na "viagem" de Júlio Verne. Ele comprovou que, em se tratando do interior da Terra, tudo que desce tende a subir, ao contrário do que acontece acima da sua superfície.

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