Novos experimentos sugerem hidrogênio no núcleo da Terra, capaz de equivaler a 45 oceanos

Experimentos recentes de laboratório que reproduzem as condições brutais do centro do planeta indicam que o núcleo da Terra pode estar carregado de hidrogênio. Se esse hidrogênio algum dia se combinasse com oxigênio, ele poderia representar matéria-prima suficiente para até 45 oceanos do tamanho dos da Terra.

Uma pista enterrada sobre a água “perdida” da Terra

Há décadas, geólogos debatem a origem da água do nosso planeta. Um grupo defende que cometas gelados e asteroides ricos em água bombardearam a Terra jovem. Outro sustenta que a maior parte da água já estava presente desde o início, aprisionada nas rochas que formaram o planeta e liberada aos poucos.

Um novo estudo, apoiado em experimentos de altíssima pressão, reforça com força essa segunda hipótese. Ao recriar em laboratório condições semelhantes às do núcleo, pesquisadores observaram que um ferro comparável ao do núcleo terrestre consegue incorporar quantidades surpreendentemente altas de hidrogênio.

"Mesmo que o hidrogênio represente apenas 0.07–0.36% do núcleo em massa, isso poderia corresponder ao equivalente a 9 a 45 oceanos de água."

Isso não significa água líquida chacoalhando ao lado de ferro fundido. Trata-se de átomos de hidrogênio presos em ligas metálicas a mais de 2,900 quilómetros abaixo da superfície - um indício relevante do quão “úmida” a Terra primitiva pode ter sido.

De sussurros sísmicos a um núcleo complexo

A compreensão do núcleo começou a se consolidar há cerca de um século, a partir da sismologia. Ao acompanhar como as ondas de terremotos atravessavam o interior do planeta, cientistas perceberam que a Terra é estratificada. Em 1936, a sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann demonstrou que existe um núcleo interno sólido dentro de um núcleo externo líquido.

Com base nas velocidades dessas ondas, foi possível estimar densidades. Os valores apontavam para um núcleo composto principalmente por ferro e níquel, e meteoritos metálicos - remanescentes do Sistema Solar primitivo - davam suporte a essa interpretação.

Ainda assim, havia um problema: o núcleo aparentava ser leve demais para ser apenas uma mistura ferro-níquel. A conclusão era que elementos mais leves precisariam estar dissolvidos ali.

Elementos leves em um coração pesado

Na década de 1960, já havia a suspeita de que o núcleo abrigasse também elementos leves. Porém, apenas nas últimas duas décadas as técnicas de laboratório ficaram precisas o bastante para simular de forma realista condições do núcleo: pressões acima de 100 gigapascais e temperaturas de vários milhares de graus Celsius.

Atualmente, a maior parte dos pesquisadores concorda que o núcleo provavelmente contém vários elementos leves:

• enxofre
• silício
• oxigênio
• carbono
• hidrogênio

A proporção de cada um ainda é incerta. O caso do hidrogênio é particularmente difícil: por ser o átomo mais pequeno e mais leve, ele deixa uma assinatura muito sutil nas medições. Assim, o que se sabe vem de forma indireta, combinando simulações, experimentos e modelagem sísmica.

Recriando o núcleo com diamantes e lasers

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

Os cientistas comprimiram em conjunto dois materiais:

• uma liga de ferro que lembra a composição do núcleo da Terra
• um vidro de silicato hidratado, como representação do antigo oceano de magma que cobriu o planeta no começo

O ensaio foi conduzido a aproximadamente 111 gigapascais e cerca de 4,800 °C, condições próximas às do núcleo externo. Sob esses extremos, elementos conseguem migrar entre o silicato fundido e o metal - de modo semelhante ao que teria ocorrido durante a formação da Terra.

Depois do resfriamento, as amostras foram analisadas em três dimensões, em escala de nanômetros, por meio de tomografia por sonda atômica. Essa técnica de alta resolução permitiu contabilizar átomos individuais de silício, oxigênio e hidrogênio dentro da fase metálica.

"As medições sugerem que o núcleo da Terra pode armazenar mais hidrogênio do que muitos modelos anteriores permitiam, comprimido em uma gaiola metálica nas profundezas abaixo do manto."

Parâmetro	Valor estimado
Teor de hidrogênio no núcleo (em massa)	0.07–0.36%
Volume equivalente de água	9–45 oceanos modernos
Pressão experimental	~111 GPa
Temperatura experimental	~4,800 °C

O que isso indica sobre a origem da água da Terra

Onde o hidrogênio fica armazenado é crucial. Se a maior parte da água terrestre tivesse chegado tarde, trazida por cometas depois que o núcleo já estivesse formado, seria esperado que o hidrogênio se concentrasse sobretudo nas camadas externas: crosta, oceanos e atmosfera.

Os novos dados apontam para outra possibilidade. O hidrogênio parece conseguir se particionar para o metal que forma o núcleo, o que implica que os blocos construtores da Terra já continham hidrogênio em quantidade considerável enquanto o planeta ainda estava em estado fundido.

"Hidrogênio preso no núcleo aponta para uma origem “úmida” da Terra, com materiais portadores de água envolvidos desde o início da montagem planetária."

Isso favorece um cenário no qual a Terra se formou a partir de rochas já hidratadas no Sistema Solar inicial, em vez de ser um corpo inicialmente seco que só mais tarde recebeu gelo. Impactos de cometas ainda podem ter contribuído, mas provavelmente não forneceram a maior parte da água.

Incertezas e a necessidade de mais evidências

Os autores do estudo, publicado na revista Nature Communications, enfatizam que os valores ainda são provisórios. Pequenos vieses experimentais podem alterar de forma significativa as estimativas de hidrogênio.

Além disso, as condições do núcleo mudam com a profundidade, e a Terra primitiva atravessou fases violentas de aquecimento, mistura e impactos gigantes. Reproduzir toda essa sequência em laboratório não é viável. Outros grupos precisarão repetir e testar esses resultados com técnicas diferentes, outras composições e trajetórias de pressão–temperatura.

A sismologia também entra como teste. À medida que melhorarem os modelos de propagação de ondas sísmicas em ligas com hidrogênio, será possível avaliar se um núcleo rico em hidrogênio se ajusta melhor aos dados reais de terremotos do que versões pobres nesse elemento.

Por que o hidrogênio no núcleo importa para a vida na superfície

Para além da narrativa de origem dos oceanos, a presença de hidrogênio no núcleo pode afetar o funcionamento atual do planeta. A mistura exata de elementos leves influencia a densidade, a temperatura de fusão e a facilidade com que o núcleo externo líquido entra em convecção.

Essa convecção alimenta o geodínamo - o mecanismo que gera o campo magnético da Terra. O campo protege a atmosfera de partículas carregadas vindas do Sol e ajuda a reduzir a perda de água para o espaço. Uma pequena alteração na “receita” do núcleo pode se propagar, com efeitos de longo prazo sobre clima e habitabilidade.

Como o hidrogênio reduz a densidade da liga do núcleo, ele pode modificar ligeiramente a forma como o calor escapa do interior profundo. Isso, por sua vez, influencia a circulação do manto, o movimento das placas e a liberação de gases por vulcões, incluindo vapor d’água e dióxido de carbono.

Conceitos-chave por trás da ciência

Alguns termos técnicos são centrais para entender essa pesquisa. Esclarecê-los ajuda a interpretar as afirmações.

• Célula de bigorna de diamante: equipamento que comprime amostras muito pequenas entre dois diamantes para atingir pressões semelhantes às do interior de planetas.
• Tomografia por sonda atômica: método no qual átomos são removidos de uma amostra em forma de agulha e detectados um a um, formando um mapa químico 3D.
• Oceano de magma: fase inicial da história da Terra em que grande parte da camada externa estava fundida, permitindo que metais afundassem e formassem o núcleo.
• Particionamento: forma como elementos se distribuem entre materiais diferentes, por exemplo entre rocha fundida e metal líquido.

Compreender como o hidrogênio se particiona entre metal e silicato sob condições extremas dá aos pesquisadores uma maneira de estimar quanto poderia terminar no núcleo, em comparação com o manto e a superfície.

O que isso pode significar para outros mundos

Um núcleo rico em hidrogênio tem implicações que vão além da Terra. Planetas como Vênus e Marte provavelmente passaram por seus próprios oceanos de magma e episódios de formação do núcleo. Se processos semelhantes atuaram nesses mundos, o armazenamento de hidrogênio em seus núcleos pode ajudar a explicar por que as superfícies deles são tão diferentes da nossa hoje.

No caso de exoplanetas rochosos em órbita de outras estrelas, o modo como a água fica retida no interior ou é liberada para a superfície pode determinar se eles permanecem secos, viram planetas-oceano ou desenvolvem condições favoráveis à vida. Modelos futuros de habitabilidade precisarão considerar não só oceanos superficiais, mas também esses reservatórios profundos e ocultos de hidrogênio, aprisionados sob pressão esmagadora.