O mistério do núcleo interno da Terra e o campo magnético

A mais de 5,100 km de profundidade, muito abaixo de onde conseguimos chegar, encontra-se o núcleo interno da Terra - uma esfera sólida composta sobretudo por ferro e níquel, decisiva para as condições que sentimos na superfície. Sem ele, é bem provável que nem estivéssemos aqui.

Mesmo com toda essa importância, ainda há um grande incómodo científico: não está claro como o núcleo interno se formou e como evoluiu ao longo do tempo. Nem sequer sabemos com segurança qual é a sua idade. A boa notícia é que a física mineral tem ajudado a aproximar-nos da resposta.

Núcleo interno da Terra: por que ele importa

O núcleo interno está ligado ao campo magnético do planeta, que funciona como uma espécie de escudo contra a radiação solar nociva. Esse campo pode ter sido determinante para estabelecer, há milhares de milhões de anos, um cenário em que a vida conseguiu prosperar.

Durante a história da Terra, o núcleo interno nem sempre foi sólido. Ele começou como líquido e, gradualmente, solidificou-se.

Apesar de estar a solidificar, continua incrivelmente quente: pelo menos 5,000 Kelvin (K) (4726.85°C).

Como o congelamento impulsiona o campo magnético

À medida que a Terra vai arrefecendo aos poucos, o núcleo interno cresce para fora, enquanto o líquido rico em ferro à sua volta “congela”.

Nesse congelamento, são libertados elementos como oxigénio e carbono, que não “combinam” bem com a estrutura de um sólido quente. Isso gera, na base do núcleo externo, um líquido quente e com flutuabilidade.

Esse líquido sobe e mistura-se com o núcleo externo (que também é líquido), criando correntes eléctricas por “ação de dínamo”, responsáveis por produzir o nosso campo magnético.

Já se perguntou o que mantém as auroras a dançar no céu? Uma parte da resposta passa pelo núcleo interno.

Cristalização enigmática

Para compreender como o campo magnético terrestre mudou ao longo do tempo, geofísicos recorrem a modelos que simulam o estado térmico do núcleo e do manto.

Essas simulações ajudam a mapear como o calor se distribui e como é transferido no interior da Terra. Em geral, partem da ideia de que o núcleo interno sólido surgiu quando o líquido atingiu o seu ponto de fusão, tratando esse momento como o início do congelamento. O problema é que essa hipótese não descreve com precisão como a solidificação realmente acontece.

Por isso, cientistas passaram a considerar o “super-resfriamento”. Super-resfriamento é quando um líquido desce abaixo do seu ponto de congelamento sem se transformar imediatamente em sólido. É algo que ocorre com a água na atmosfera - por vezes chegando a -30°C antes de formar granizo - e também pode ocorrer com o ferro no núcleo da Terra.

Cálculos indicam que, para congelar ferro puro no núcleo terrestre, seria necessário um super-resfriamento de até 1,000 K. Só que a condutividade do núcleo sugere uma taxa de arrefecimento de 100-200 K por mil milhões de anos, o que torna esse cenário difícil de sustentar.

Um super-resfriamento desse tamanho implicaria que, ao longo de toda a sua história (1,000 a 500 milhões de anos), o núcleo teria permanecido abaixo do ponto de fusão - o que traz ainda mais complicações.

Como não temos acesso físico ao núcleo - a perfuração humana mais profunda chegou a apenas 12 km - dependemos quase totalmente da sismologia para investigar o interior do planeta.

O núcleo interno foi identificado em 1936 e, pelo que sabemos, o seu tamanho (cerca de 20% do raio da Terra) está entre as propriedades mais bem determinadas das profundezas terrestres. Com base nisso, estimamos a temperatura do núcleo, assumindo que a fronteira entre sólido e líquido marca a intersecção entre o ponto de fusão e a temperatura do núcleo.

Essa mesma premissa também permite estimar o máximo de super-resfriamento que poderia ter ocorrido antes de o núcleo interno começar a formar-se a partir de um núcleo inicialmente combinado (interno e externo).

Se o congelamento do núcleo tiver começado há relativamente pouco tempo, o estado térmico actual no limite entre o núcleo interno e o núcleo externo indica o quanto o núcleo combinado poderia estar abaixo do ponto de fusão quando a solidificação começou. Isso sugere que, no máximo, o núcleo teria sido super-resfriado em cerca de 400 K.

Só que esse valor já é pelo menos o dobro do que a sismologia permite. Se o núcleo tivesse mesmo sido super-resfriado em 1,000 K antes de congelar, o núcleo interno deveria ser muito maior do que observamos. Por outro lado, se 1,000 K fosse de facto indispensável para iniciar a solidificação e esse patamar nunca tivesse sido atingido, então o núcleo interno nem deveria existir.

É evidente que nenhuma das duas alternativas bate com o que vemos - então, qual seria a explicação?

Físicos de minerais têm testado ferro puro e outras misturas para medir quanto super-resfriamento é necessário para dar início à formação do núcleo interno. Embora ainda não exista uma resposta definitiva, há avanços encorajadores.

Por exemplo, descobriu-se que estruturas cristalinas inesperadas e a presença de carbono podem influenciar o super-resfriamento. Isso sugere que certas combinações de química e estrutura, antes não consideradas, podem dispensar um super-resfriamento tão irrealisticamente elevado.

Se o núcleo conseguir congelar com menos de 400 K de super-resfriamento, a existência do núcleo interno tal como o observamos hoje passa a fazer sentido.

As consequências de não compreendermos a formação do núcleo interno são amplas. Estimativas anteriores para a idade do núcleo interno variam entre 500 e 1,000 milhões de anos, mas esses números não incorporam o problema do super-resfriamento. Mesmo um super-resfriamento moderado de 100 K poderia significar que o núcleo interno é algumas centenas de milhões de anos mais jovem do que se pensava.

Para quem investiga como a radiação solar pode ter influenciado extinções em massa, é crucial identificar a assinatura da formação do núcleo interno no registo paleomagnético das rochas - um arquivo do campo magnético da Terra.

Enquanto não entendermos melhor a história do campo magnético, não conseguiremos determinar por completo qual foi o seu papel no surgimento de condições habitáveis e da vida.

Alfred Wilson-Spencer, pesquisador associado de Física Mineral, University of Leeds

Este artigo foi republicado de The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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