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

A buried clue to Earth’s missing water

Durante décadas, a origem da água na Terra tem sido um daqueles debates teimosos da geologia: veio sobretudo de fora, em impactos de cometas e asteroides ricos em água, ou já fazia parte do “kit” inicial do planeta? O dilema ganha outra dimensão quando se olha para o interior - para lá da crosta e dos oceanos - e se pergunta se uma parte enorme dessa história pode estar escondida a milhares de quilómetros de profundidade.

Experiências recentes em laboratório, desenhadas para imitar as condições brutais do centro do planeta, apontam para um núcleo potencialmente carregado de hidrogénio. E se esse hidrogénio algum dia se combinasse com oxigénio, a quantidade total corresponderia à matéria-prima para até 45 oceanos do tamanho dos atuais.

Durante décadas, geólogos discutiram de onde veio a água da Terra. Um grupo defendeu a ideia de cometas gelados e asteroides ricos em água a bombardear o planeta jovem. Outro argumentou que a maior parte da água já cá estava desde o início, presa nas rochas que formaram a Terra e libertada lentamente.

Um novo estudo, baseado em experiências de alta pressão, dá um forte impulso ao segundo cenário. Ao recriar em laboratório condições semelhantes às do núcleo, os investigadores descobriram que ferro parecido com o do núcleo terrestre consegue reter quantidades surpreendentemente grandes de hidrogénio.

Mesmo que o hidrogénio represente apenas 0,07–0,36% do núcleo em massa, isso pode corresponder ao equivalente a 9 a 45 oceanos de água.

Isto não significa água líquida a “chocalhar” ao lado de ferro fundido. Trata-se de átomos de hidrogénio aprisionados em ligas metálicas a mais de 2.900 quilómetros abaixo da superfície. Ainda assim, é uma pista forte sobre o quão “húmida” a Terra primitiva poderá ter sido.

From seismic whispers to a complex core

A história do núcleo começou há cerca de um século, com a sismologia. Ao acompanhar a forma como as ondas de sismos atravessavam o planeta, os cientistas perceberam que a Terra é composta por camadas. Em 1936, a sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann mostrou que existe um núcleo interno sólido dentro de um núcleo externo líquido.

A partir da velocidade dessas ondas, foi possível estimar a densidade. Os valores apontavam para um núcleo sobretudo de ferro e níquel. Meteoritos metálicos - relíquias do início do Sistema Solar - reforçavam essa leitura.

Mas havia um problema: o núcleo parecia leve demais para ser apenas ferro-níquel puro. Isso sugeria que outros elementos, mais leves, tinham de estar dissolvidos ali.

Light elements in a heavy heart

Na década de 1960, os cientistas já suspeitavam que o núcleo incluía também elementos leves. Só nas últimas duas décadas as técnicas laboratoriais ganharam precisão suficiente para simular de forma realista condições do núcleo: pressões acima de 100 gigapascais e temperaturas de vários milhares de graus Celsius.

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

• sulphur
• silicon
• oxygen
• carbon
• hydrogen

Quanto existe de cada um ainda é incerto. O hidrogénio é particularmente difícil de quantificar: é o átomo mais pequeno e mais leve, e deixa uma assinatura muito subtil nas medições. Quase tudo o que sabemos vem de forma indireta, através de simulações, experiências laboratoriais e modelação sismológica.

Recreating the core with diamonds and lasers

Para esclarecer o papel do hidrogénio, a equipa 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 até milhares de graus.

Os cientistas comprimiram em conjunto dois materiais:

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

A experiência decorreu a cerca de 111 gigapascals e aproximadamente 4.800 °C, condições semelhantes às do núcleo externo. Nesses extremos, os elementos podem 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, usando tomografia por sonda atómica. Esta técnica de alta resolução permitiu contar átomos individuais de silício, oxigénio e hidrogénio dentro da fase metálica.

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

Parameter	Estimated value
Core hydrogen content (by mass)	0.07–0.36%
Equivalent water volume	9–45 modern oceans
Experimental pressure	~111 GPa
Experimental temperature	~4,800 °C

What this says about the origin of Earth’s water

A localização do hidrogénio é crucial. Se a maior parte da água da Terra tivesse chegado tarde, trazida por cometas depois de o núcleo já estar formado, o hidrogénio deveria estar concentrado sobretudo nas camadas exteriores: crosta, oceanos e atmosfera.

Os novos resultados apontam noutra direção. O hidrogénio parece conseguir “particionar” para o metal que compõe o núcleo, o que implica que os blocos que deram origem à Terra já continham hidrogénio em quantidade relevante quando o planeta ainda estava fundido.

Hidrogénio preso no núcleo aponta para uma origem “húmida” da Terra, com materiais portadores de água envolvidos desde o início da montagem 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 ser uma esfera seca que mais tarde recebeu gelo como “pulverização” externa. Os impactos de cometas podem ter contribuído, mas provavelmente não forneceram a maior parte da nossa água.

Uncertainties and the need for more evidence

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

As condições do núcleo variam com a profundidade, e a Terra primitiva passou por fases violentas de aquecimento, mistura e impactos gigantes. Recriar todo esse historial em laboratório é impossível. Outras equipas terão de repetir e testar estes resultados com técnicas diferentes, outras composições e trajetórias pressão–temperatura alternativas.

A sismologia também entra na equação. À medida que melhorarem os modelos de propagação de ondas sísmicas em ligas com hidrogénio, será possível verificar se um núcleo mais rico em hidrogénio se ajusta melhor aos dados reais de sismos do que versões com pouco hidrogénio.

Why hydrogen in the core matters for life at the surface

Para lá da história da origem dos oceanos, o hidrogénio no núcleo pode influenciar o comportamento 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 vindas do Sol e ajuda a evitar a perda de água para o espaço. Uma pequena mudança “na receita” do núcleo pode ter efeitos em cadeia no clima de longo prazo e na habitabilidade.

Como o hidrogénio reduz a densidade da liga do núcleo, pode também alterar ligeiramente a forma como o calor sai 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.

Key concepts behind the science

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

• Diamond anvil cell: um dispositivo que comprime amostras minúsculas entre dois diamantes para atingir pressões semelhantes às do interior de planetas.
• Atom probe tomography: um método em que os átomos são removidos delicadamente de uma amostra em forma de agulha e detetados um a um, construindo um mapa químico 3D.
• Magma ocean: uma fase inicial da história da Terra em que grande parte da camada externa estava fundida, permitindo que metais afundassem e formassem o núcleo.
• Partitioning: a forma como os elementos se distribuem entre materiais diferentes, por exemplo entre rocha fundida e metal líquido.

Compreender como o hidrogénio se “particiona” entre metal e silicato sob condições extremas dá aos investigadores uma forma de estimar quanto poderia acabar no núcleo versus no manto e à superfície.

What this means for other worlds

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

Para exoplanetas rochosos a orbitar 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. Modelos futuros de habitabilidade terão de considerar não só os oceanos à superfície, mas também estes reservatórios profundos e ocultos de hidrogénio, presos sob pressões esmagadoras.