Hidrogénio no núcleo da Terra pode explicar a água e 9 a 45 oceanos

Novas experiências laboratoriais que reproduzem as condições brutais do centro do planeta indicam que o núcleo poderá conter grandes quantidades de hidrogénio. Se esse hidrogénio alguma vez reagisse com oxigénio, poderia equivaler à matéria-prima necessária para até 45 oceanos do tamanho dos da Terra.

Uma pista enterrada sobre a água em falta da Terra

Durante décadas, os geólogos têm discordado sobre a origem da água terrestre. Uma linha de interpretação defendeu que cometas gelados e asteroides ricos em água bombardearam o planeta ainda jovem. Outra sustentou que a maior parte da água já existia desde o início, presa nas rochas que formaram a Terra e libertada gradualmente.

Um novo trabalho, assente em experiências a alta pressão, dá um forte impulso à segunda hipótese. Ao replicarem em laboratório condições semelhantes às do núcleo, os investigadores verificaram que um ferro parecido com o do núcleo da Terra consegue reter quantidades surpreendentemente elevadas de hidrogénio.

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

Isto não significa que exista água líquida a agitar-se junto de ferro fundido. Trata-se de átomos de hidrogénio aprisionados em ligas metálicas a mais de 2.900 quilómetros abaixo da superfície. Ainda assim, o resultado sugere que a Terra primitiva poderá ter sido muito mais “húmida” do que se pensava.

De sussurros sísmicos a um núcleo complexo

A compreensão do núcleo começou há cerca de um século, graças à sismologia. Ao observar a forma como as ondas dos sismos atravessavam o planeta, os 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 a densidade. Esses cálculos apontavam para um núcleo composto sobretudo por ferro e níquel. Meteoritos metálicos, vestígios do início do Sistema Solar, reforçaram essa ideia.

No entanto, havia um problema: o núcleo parecia demasiado leve para ser apenas ferro-níquel. Isso implicava que outros elementos, mais leves, estariam dissolvidos no seu interior.

Elementos leves num coração pesado

Nos anos 1960, os cientistas já suspeitavam da presença desses elementos leves. Só nas últimas duas décadas, contudo, as técnicas laboratoriais ficaram suficientemente precisas para simular o núcleo de forma realista: pressões acima de 100 gigapascais e temperaturas de vários milhares de graus Celsius.

Atualmente, a maioria dos investigadores concorda que o núcleo deverá incluir vários elementos leves:

• enxofre
• silício
• oxigénio
• carbono
• hidrogénio

A grande incógnita é a proporção de cada um. O hidrogénio, em particular, é difícil de quantificar: por ser o átomo mais pequeno e mais leve, deixa uma assinatura muito ténue nas medições. Assim, o que se sabe resulta sobretudo de inferências baseadas em simulações, experiências e modelação sísmica.

Recriar o núcleo com diamantes e lasers

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

Os investigadores colocaram em contacto dois materiais:

• uma liga de ferro semelhante à composição do núcleo da Terra
• um vidro de silicato hidratado, usado como análogo do antigo oceano de magma que teria coberto o planeta jovem

A experiência decorreu a cerca de 111 gigapascais e aproximadamente 4.800 °C, valores comparáveis aos do núcleo externo. Nestas condições extremas, os elementos conseguem migrar entre o silicato fundido e o metal, tal como teria acontecido durante a formação da Terra.

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

"As medições sugerem que o núcleo da Terra poderá armazenar mais hidrogénio do que muitos modelos anteriores admitiam, comprimido numa ‘gaiola’ metálica em profundidade, abaixo do manto."

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

O que isto sugere sobre a origem da água da Terra

A distribuição do hidrogénio é crucial. Se a maior parte da água tivesse chegado tarde, transportada por cometas depois de o núcleo já estar formado, seria de esperar que o hidrogénio se concentrasse sobretudo nas camadas externas: crosta, oceanos e atmosfera.

Os novos resultados apontam noutra direção. O hidrogénio parece conseguir repartir-se (particionar) para o metal que constitui o núcleo, o que sugere que os blocos de construção da Terra já continham quantidades relevantes de hidrogénio quando o planeta ainda estava em estado fundido.

"Hidrogénio aprisionado no núcleo aponta para uma origem ‘húmida’ da Terra, com materiais portadores de água envolvidos desde o início da montagem do planeta."

Isto favorece um cenário em que a Terra se formou a partir de rochas já hidratadas no Sistema Solar primitivo, em vez de ser um corpo inicialmente seco que mais tarde recebeu gelo “por pulverização”. Os impactos de cometas podem ter contribuído, mas provavelmente não foram a principal fonte da nossa água.

Incertezas e necessidade de mais provas

Os autores do estudo, publicado na Nature Communications, sublinham que estes valores ainda são provisórios. Mesmo pequenos enviesamentos experimentais podem alterar de forma significativa as estimativas de hidrogénio.

Além disso, as condições do núcleo variam com a profundidade, e a Terra primitiva atravessou fases violentas de aquecimento, mistura e impactos gigantes. Reproduzir toda essa história em laboratório é impossível. Será necessário que outros grupos repitam e testem estes resultados, recorrendo a técnicas diferentes, a outras composições e a trajetórias alternativas de pressão–temperatura.

A sismologia também entra na equação. À medida que melhorarem os modelos sobre a propagação de ondas sísmicas em ligas com hidrogénio, será possível avaliar se um núcleo rico em hidrogénio 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 lá da história da origem dos oceanos, a presença de hidrogénio no núcleo pode influenciar o funcionamento atual do planeta. A mistura 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 de partículas carregadas provenientes do Sol e ajuda a reduzir a perda de água para o espaço. Uma alteração subtil na “receita” do núcleo pode ter efeitos em cadeia no clima e na habitabilidade a longo prazo.

Ao diminuir a densidade da liga do núcleo, o hidrogénio poderá modificar ligeiramente o modo como o calor é transferido a partir do interior profundo. Isso, por sua vez, 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‑chave por trás da ciência

Vários termos técnicos são centrais para esta investigação. Esclarecê-los ajuda a interpretar as conclusões.

• Célula de bigorna de diamante: dispositivo que comprime amostras minúsculas entre dois diamantes, atingindo pressões semelhantes às do interior de planetas.
• Tomografia por sonda atómica: método em que os átomos são removidos de forma controlada de uma amostra em forma de agulha e detetados um a um, construindo um mapa químico 3D.
• Oceano de magma: fase inicial da história da Terra em que grande parte da camada externa estava fundida, permitindo que os metais afundassem e formassem o núcleo.
• Partição: forma como os elementos se distribuem entre materiais distintos, por exemplo entre rocha fundida e metal líquido.

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

O que isto significa para outros mundos

A hipótese de um núcleo rico em hidrogénio tem implicações para além da Terra. Planetas como Vénus e Marte terão passado pelos seus próprios oceanos de magma e episódios de formação do núcleo. Se processos semelhantes atuarem nesses mundos, o armazenamento de hidrogénio no interior poderá ajudar a explicar por que razão as suas superfícies são hoje tão diferentes da nossa.

No caso de exoplanetas rochosos a orbitar estrelas distantes, a forma como a água fica aprisionada no interior ou é libertada para a superfície pode determinar se permanecem secos, se se tornam planetas-oceano ou se desenvolvem condições compatíveis com a vida. Modelos futuros de habitabilidade terão de considerar não apenas os oceanos à superfície, mas também estes reservatórios profundos e ocultos de hidrogénio, retidos sob pressões esmagadoras.