O núcleo da Terra poderá conter hidrogénio para 45 oceanos

Novas experiências laboratoriais que reproduzem as condições extremas existentes no centro do planeta indicam que o núcleo poderá conter grandes quantidades de hidrogénio. Caso esse hidrogénio se combinasse algum dia com oxigénio, poderia constituir matéria-prima para até 45 oceanos do tamanho dos da Terra.

Uma pista enterrada para a água desaparecida da Terra

Há décadas que os geólogos discutem a origem da água terrestre. Uma das correntes defende que cometas gelados e asteroides ricos em água bombardearam o jovem planeta. A outra sustenta que a maior parte da água já existia desde o início, retida nas rochas que formaram a Terra e libertada gradualmente.

Um novo estudo, assente em experiências de alta pressão, reforça claramente a segunda hipótese. Ao reproduzirem no laboratório condições semelhantes às do núcleo, os investigadores verificaram que o ferro comparável ao do núcleo da Terra consegue reter quantidades inesperadamente elevadas de hidrogénio.

“Mesmo que o hidrogénio represente apenas 0.07–0.36% da massa do núcleo, poderá corresponder ao equivalente a 9 a 45 oceanos de água.”

Não se trata de água líquida a mover-se junto ao ferro fundido. São átomos de hidrogénio aprisionados em ligas metálicas a mais de 2 900 quilómetros de profundidade, mas a sua presença diz muito sobre o quão húmida poderá ter sido a Terra primitiva.

Dos sinais sísmicos a um núcleo complexo

A história do núcleo começou há um século com a sismologia. Ao acompanharem o percurso das ondas geradas por sismos através do planeta, os cientistas perceberam que a Terra é formada por camadas. Em 1936, a sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann demonstrou que existe um núcleo interno sólido no interior de um núcleo externo líquido.

A velocidade dessas ondas permitiu aos investigadores calcular a densidade. Os resultados apontavam para um núcleo composto sobretudo por ferro e níquel, uma interpretação apoiada por meteoritos metálicos, vestígios do início do Sistema Solar.

No entanto, havia uma discrepância: o núcleo parecia demasiado leve para ser constituído apenas por ferro e níquel. Isso indicava que nele estariam dissolvidos outros elementos mais leves.

Elementos leves num coração pesado

Na década de 1960, os cientistas já suspeitavam que o núcleo continha elementos mais leves. Porém, só nas últimas duas décadas as técnicas laboratoriais alcançaram precisão suficiente para simular de forma realista as condições do núcleo: pressões superiores a 100 gigapascais e temperaturas de vários milhares de graus Celsius.

Atualmente, a maioria dos investigadores concorda que o núcleo contém provavelmente vários elementos leves:

• enxofre
• silício
• oxigénio
• carbono
• hidrogénio

A proporção de cada um continua por determinar. O hidrogénio é particularmente difícil de estudar: é o átomo mais pequeno e leve, deixando um sinal pouco evidente nas medições. Todo o conhecimento disponível é indireto, obtido através de simulações, experiências laboratoriais e modelação sísmica.

Recriar o núcleo da Terra com diamantes e lasers

Para esclarecer o papel do hidrogénio, a equipa de investigação recorreu a um equipamento especializado chamado célula de bigorna de diamante. Duas pontas de diamante comprimem amostras minúsculas a pressões enormes, enquanto lasers as aquecem até milhares de graus.

Os cientistas colocaram sob pressão dois materiais:

• uma liga de ferro semelhante à composição do núcleo da Terra
• um vidro de silicato hidratado, representativo do antigo oceano de magma que cobriu o jovem planeta

A experiência decorreu a cerca de 111 gigapascais e aproximadamente 4 800 °C, condições comparáveis às do núcleo externo. Nesses extremos, os elementos conseguem deslocar-se entre o silicato fundido e o metal, tal como terão feito durante a formação da Terra.

Depois de as amostras arrefecerem, a equipa analisou-as em três dimensões à escala nanométrica através de tomografia por sonda atómica. Esta técnica de alta resolução permitiu contar átomos individuais de silício, oxigénio e hidrogénio na fase metálica.

“As medições indicam que o núcleo da Terra poderá armazenar mais hidrogénio do que muitos modelos anteriores admitiam, comprimido numa gaiola metálica nas profundezas sob o manto.”

O que isto revela sobre a origem da água da Terra

A localização do hidrogénio é importante. Se a maior parte da água terrestre tivesse chegado tardiamente, transportada por cometas depois da formação do núcleo, o hidrogénio deveria estar concentrado nas camadas exteriores: crosta, oceanos e atmosfera.

Os novos resultados apontam para outra possibilidade. O hidrogénio parece conseguir distribuir-se pelo metal que constitui o núcleo, sugerindo que os blocos de construção da Terra já continham quantidades substanciais de hidrogénio quando o planeta ainda estava fundido.

“O hidrogénio retido no núcleo aponta para uma origem ‘húmida’ da Terra, com materiais portadores de água envolvidos desde o início da formação planetária.”

Isto favorece um cenário em que a Terra se formou a partir de rochas já hidratadas no início do Sistema Solar, em vez de ter sido uma esfera seca posteriormente atingida por gelo. Os impactos de cometas podem ainda ter contribuído, mas provavelmente não forneceram a maior parte da nossa água.

Incertezas e necessidade de mais provas

Os autores do estudo, publicado na Nature Communications, sublinham que os valores continuam a ser provisórios. Mesmo pequenos desvios experimentais podem alterar significativamente as estimativas de hidrogénio.

As condições no núcleo variam consoante a profundidade, e a Terra primitiva passou por fases violentas de aquecimento, mistura e impactos gigantes. Reproduzir toda essa história num laboratório é impossível. Outras equipas terão de repetir e testar estes resultados usando técnicas, composições e percursos de pressão e temperatura diferentes.

A sismologia também tem um papel a desempenhar. À medida que melhorarem os modelos sobre a propagação das ondas sísmicas em ligas com hidrogénio, os cientistas poderão avaliar se um núcleo rico em hidrogénio se ajusta melhor aos dados reais de sismos do que versões pobres nesse elemento.

Porque é que o hidrogénio no núcleo importa para a vida à superfície

Para além da explicação da origem dos oceanos, o hidrogénio no núcleo pode influenciar o comportamento atual do planeta. A combinação exata de elementos leves afeta a densidade, a temperatura de fusão e a facilidade com que o núcleo externo líquido entra em convecção.

Essa convecção alimenta o geodínamo, o processo que gera o campo magnético da Terra. O campo protege a atmosfera das partículas carregadas emitidas pelo Sol e ajuda a impedir a perda de água para o espaço. Uma alteração subtil na composição do núcleo pode ter efeitos duradouros no clima e na habitabilidade.

Como o hidrogénio reduz a densidade da liga do núcleo, poderá modificar ligeiramente a forma como o calor sai do interior profundo. Por sua vez, isso influencia a circulação do manto, o movimento das placas e a libertação de gases pelos vulcões, incluindo vapor de água e dióxido de carbono.

Conceitos essenciais por trás da ciência

Vários termos técnicos estão no centro desta investigação. Uma breve explicação ajuda a compreender melhor estas conclusões.

• Célula de bigorna de diamante: dispositivo que comprime amostras minúsculas entre dois diamantes para atingir pressões semelhantes às existentes no interior dos planetas.
• Tomografia por sonda atómica: método no qual os átomos são removidos suavemente de uma amostra afiada em forma de agulha e detetados um a um, criando um mapa químico tridimensional.
• Oceano de magma: fase inicial da história da Terra em que grande parte da camada exterior do planeta estava fundida, permitindo que os metais afundassem para formar o núcleo.
• Partição: modo como os elementos se distribuem por materiais distintos, por exemplo entre rocha fundida e metal líquido.

Compreender como o hidrogénio se reparte entre o metal e o silicato sob condições extremas permite aos investigadores estimar quanto poderá terminar no núcleo, em comparação com o manto e a superfície.

O que isto significa para outros mundos

Este cenário de um núcleo rico em hidrogénio tem implicações que vão além da Terra. Planetas como Vénus e Marte terão provavelmente passado pelos seus próprios oceanos de magma e episódios de formação do núcleo. Se processos semelhantes ocorrerem nesses mundos, o armazenamento de hidrogénio nos seus núcleos poderá ajudar a explicar porque é que as suas superfícies são hoje tão diferentes da nossa.

Nos exoplanetas rochosos que orbitam estrelas distantes, a forma como a água fica retida no interior ou é libertada para a superfície pode determinar se permanecem secos, se se tornam planetas-oceano ou se desenvolvem condições favoráveis à vida. Os futuros modelos de habitabilidade terão de considerar não apenas os oceanos à superfície, mas também estes reservatórios profundos e ocultos de hidrogénio, aprisionados sob pressões esmagadoras.