Hidrogénio no núcleo da Terra pode mudar o que sabemos sobre a origem da água

No interior mais profundo do nosso planeta esconde-se, ao que tudo indica, muito mais do que se julgava - e isso pode virar do avesso a história da água na Terra.

Novas experiências de laboratório, concebidas para reproduzir as condições brutais do núcleo terrestre, sugerem que aí existem quantidades enormes de hidrogénio. Se todo esse hidrogénio se combinasse com oxigénio para formar água, o volume resultante poderia equivaler a vários dezenas de oceanos. Esta conclusão mexe com uma das grandes perguntas da ciência planetária: de onde veio realmente a água da Terra?

Como sabemos o que se passa no interior da Terra

Ninguém consegue observar diretamente o interior do planeta: o núcleo da Terra começa a cerca de 2 900 quilómetros abaixo dos nossos pés. As perfurações só atingem alguns quilómetros de profundidade, e o resto depende de medições e cálculos. Desde o início do século XX, os geofísicos recorrem à propagação das ondas sísmicas para “radiografar” o interior terrestre.

A sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann percebeu em 1936, com base nesses dados, que o núcleo não era homogéneo, mas sim composto por um núcleo interno sólido e um núcleo externo líquido. A partir da velocidade das ondas, é possível calcular a densidade de cada camada. Quando esses valores foram comparados com os de meteoritos ricos em ferro, surgiu a imagem hoje aceite: o núcleo é formado sobretudo por ferro e níquel.

Mas cedo se notou um problema: a densidade não batia certo. Um núcleo feito apenas de ferro e níquel seria mais denso do que os dados permitiam. Tinha de haver lá algo mais leve misturado.

Nos últimos anos, o avanço das técnicas de alta pressão, da modelação computacional e da geoquímica experimental tem permitido testar hipóteses cada vez mais sofisticadas. Em vez de depender apenas de inferências indiretas, os investigadores conseguem agora recriar, em pequena escala, condições que se aproximam das que existem a milhares de quilómetros de profundidade.

Elementos leves no núcleo da Terra: mais do que apenas metal

Desde a década de 1960, os cientistas suspeitam que o núcleo também contenha elementos mais leves - por exemplo enxofre, silício, oxigénio, carbono e hidrogénio. Hoje, há fortes indícios de que todos estes elementos estão de facto presentes, ainda que em proporções reduzidas.

São precisamente essas quantidades pequenas que tornam o tema tão difícil. Toda a informação disponível vem de medições indiretas, modelos e experiências de alta pressão. O hidrogénio, em especial, resiste à observação direta: além de ser o elemento mais leve, é também o mais pequeno. Pequenos erros de medição podem alterar de forma dramática a estimativa da sua abundância.

Para responder melhor à questão do “material leve” em falta, os investigadores recorrem a montagens de laboratório cada vez mais extremas.

Mini-Terra em laboratório: recriar as condições do núcleo com diamantes e laser

A equipa responsável pelo estudo utilizou um método complexo para simular as condições existentes no núcleo terrestre. A montagem parece saída de ficção científica: em células de bigorna de diamante, amostras minúsculas são comprimidas entre duas pontas de diamante extremamente resistentes e aquecidas com lasers até atingirem pressões superiores a 100 gigapascais e temperaturas próximas de 4 800 graus Celsius - valores comparáveis aos do núcleo externo.

Os investigadores trabalharam com dois materiais:

• ferro, cuja composição se aproxima da matéria que se pensa existir no núcleo;
• vidro de silicato hidratado, usado como modelo para o antigo oceano de magma da Terra primitiva.

Sob estas condições extremas, os elementos podem trocar-se entre os dois materiais. A ideia é reproduzir o processo que terá ocorrido quando, durante a formação do planeta, o núcleo metálico se separou do manto silicatado.

Mapeamento atómico com microscopia de ponta

Depois do “cozinhado” em laboratório, os cientistas analisaram as amostras com uma técnica de altíssima resolução chamada tomografia por sonda atómica. Este método permite reconstruir em três dimensões a posição de átomos individuais e determinar quanto de cada elemento existe na amostra.

Assim, foi possível identificar a distribuição de silício, oxigénio e hidrogénio no material análogo ao núcleo.

O resultado: o núcleo da Terra poderá conter entre 0,07% e 0,36% em massa de hidrogénio - o suficiente para equivaler a 9 a 45 oceanos.

É importante notar que este valor se refere apenas ao hidrogénio ligado no núcleo, e não à água existente nos oceanos, nas rochas do manto ou no gelo das regiões polares.

O que o estudo revela sobre a origem da água terrestre

Durante décadas, os especialistas têm discutido a proveniência da água do nosso planeta. De forma muito simplificada, existem dois cenários em cima da mesa:

• a água já estava presente no material que deu origem à Terra e ficou armazenada em profundidade durante a formação do planeta;
• a água chegou mais tarde, transportada por impactos de cometas e asteroides ricos em água.

O novo estudo dá um apoio forte à primeira hipótese. Se, no início da história da Terra, o hidrogénio tiver entrado no núcleo em quantidade significativa, isso significa que o planeta jovem já era abundante em substâncias voláteis. Nesse caso, grande parte da sua água teria sido adquirida durante a própria formação, e não numa fase tardia de “encharcamento” provocada por uma chuva de blocos de gelo.

Se a hipótese do bombardeamento posterior fosse a dominante, seria de esperar que a maior parte do hidrogénio se encontrasse nas camadas exteriores do planeta: isto é, na crosta, no manto e nos oceanos. A forte indicação agora encontrada de hidrogénio no núcleo encaixa muito melhor numa incorporação precoce.

Até que ponto estes números são fiáveis?

Os resultados foram publicados na revista Nature Communications e estão a gerar muito debate na geociência. Os próprios autores sublinham que podem existir enviesamentos experimentais. Em condições tão extremas, a menor imprecisão na pressão, na temperatura ou na preparação da amostra pode produzir diferenças relevantes.

Mesmo assim, o estudo representa uma peça importante do puzzle, porque liga vários domínios que até aqui eram tratados separadamente: física do núcleo, experiências de alta pressão e modelos sobre a origem da água terrestre. Agora, outras equipas terão de repetir ensaios semelhantes com pequenas variações de método para verificar se a quantidade de hidrogénio no núcleo se mantém na mesma ordem de grandeza.

O facto de estes resultados surgirem numa área tão complexa também mostra como a ciência do interior terrestre depende cada vez mais da colaboração entre disciplinas. Sismologia, física dos minerais e química em condições extremas formam hoje um conjunto indispensável para compreender processos que acontecem a profundidades inacessíveis.

Porque é que o hidrogénio no núcleo é muito mais do que uma curiosidade

O hidrogénio no interior do planeta não influencia apenas a história da água; também afeta as propriedades físicas do núcleo terrestre. Os elementos leves alteram a densidade, o ponto de fusão e a capacidade de escoamento do metal. Isso tem impacto no geodínamo - o processo que gera o campo magnético da Terra.

Uma proporção diferente de ferro, níquel e elementos leves pode acelerar ou travar a convecção no núcleo externo. No fim de contas, isso também está ligado à estabilidade do campo magnético que nos protege da radiação solar nociva.

A quantidade de hidrogénio e de outros elementos leves no núcleo ajuda a determinar se a Terra mantém um campo magnético estável ao longo do tempo - uma condição essencial para superfícies habitáveis.

Se estas estimativas forem confirmadas, o hidrogénio do núcleo poderá ainda ajudar a refinar modelos sobre a evolução térmica da Terra e sobre a duração do seu campo magnético ao longo de milhares de milhões de anos.

O que isto significa para outros planetas

Os resultados também levantam questões sobre os nossos vizinhos do Sistema Solar. Porque é que a Terra tem oceanos vastos e um campo magnético forte, enquanto Marte e Mercúrio são secos e magneticamente fracos? Uma resposta possível é que a composição inicial e a fração de elementos leves no núcleo diferem de forma substancial.

Se se confirmar que a Terra reteve grandes quantidades de hidrogénio no seu interior desde cedo, isso pode explicar porque conseguiu conservar água na superfície durante tanto tempo. Planetas sem esse reservatório interno teriam perdido a sua água muito mais depressa para o espaço.

Termos e contexto para quem não é especialista

Alguns termos técnicos usados neste estudo surgem cada vez mais na cobertura mediática:

• GPa (gigapascal): unidade de pressão. 1 GPa corresponde a cerca de 10 000 vezes a pressão atmosférica ao nível do mar.
• Oceano de magma: fase inicial da Terra em que grandes partes do planeta eram constituídas por rocha fundida.
• Célula de bigorna de diamante: aparelho que comprime pequenas amostras a pressões enormes, aproveitando a extrema dureza do diamante.
• Tomografia por sonda atómica: técnica de microscopia que reconstrói a posição de átomos individuais num material.

Este tipo de método tem vindo a ganhar importância na investigação planetária. Permite tirar conclusões sobre processos que ocorreram há mais de quatro mil milhões de anos e que ninguém poderia observar diretamente.

Para o futuro, os especialistas esperam experiências ainda mais precisas, nas quais o hidrogénio seja medido em paralelo com outros elementos leves. Isso ajudará a perceber melhor como enxofre, carbono, oxigénio e hidrogénio interagem no núcleo - e quanta “água escondida” existe, de facto, no interior do planeta.