Como os cientistas revelaram os segredos das águas profundas da Terra

Um estudo inovador revela que a água superficial da Terra atinge o núcleo, alterando a sua composição e sugerindo uma interação mais dinâmica entre o núcleo e o manto e um complexo ciclo global da água.

Há algumas décadas, sismólogos que estudam as profundezas do planeta identificaram uma fina camada com pouco mais de algumas centenas de quilómetros de espessura. A origem desta camada, conhecida como camada primária E, tem sido até agora um mistério.

Uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo os cientistas Dan Shim, Taehyun Kim e Joseph O’Rourke da Universidade Estadual do Arizona, da Faculdade de Exploração da Terra e do Espaço, revelou que a água da superfície da Terra pode penetrar profundamente no planeta, alterando sua composição. A região externa do metal líquido nuclea e forma uma camada fina característica.

A pesquisa deles foi publicada em 13 de novembro na revista Ciências naturais da terra.

Processo de transporte em águas profundas

A pesquisa indica que ao longo de bilhões de anos, a água superficial foi transportada para as profundezas da Terra através da subducção ou subducção de placas tectônicas. Ao atingir a fronteira entre o núcleo e o manto, cerca de 2.900 quilómetros abaixo da superfície, esta água desencadeia uma reação química profunda, alterando a estrutura do núcleo.

Ilustração do interior da Terra revelando água em subducção e uma coluna ascendente de magma. Na interface onde a água incorporada encontra o núcleo, ocorre troca química para formar uma camada rica em hidrogênio na parte superior do núcleo externo e sílica densa na parte inferior do manto. Crédito: Universidade Yonsei

Reações químicas na fronteira núcleo-manto

Junto com o jovem Jae Lee do Universidade Yonsei Na Coreia do Sul, Shim e a sua equipa demonstraram, através de experiências de alta pressão, que a água submersa reage quimicamente com materiais básicos. Esta reação forma uma camada rica em hidrogênio e pobre em silício, transformando a região superior externa do núcleo em uma estrutura semelhante a um filme. Além disso, a reação gera cristais de sílica que sobem e se fundem no manto. Espera-se que esta camada mineral líquida modificada seja menos densa, com velocidades sísmicas mais baixas, consistente com as características anômalas mapeadas pelos sismólogos.

Interação núcleo-manto e efeitos globais

“Durante muitos anos, a troca física entre o núcleo da Terra e o seu manto foi considerada pequena. No entanto, as nossas recentes experiências de alta pressão revelam uma história diferente. “Descobrimos que quando a água atinge a fronteira entre o núcleo e o manto, ele interage com o silício no núcleo”, disse Shim., formando sílica.” “Esta descoberta, junto com nossa observação anterior de diamantes se formando a partir da reação da água com o carbono no ferro líquido sob extrema pressão, indica uma interação muito mais dinâmica entre o núcleo e o manto, indicando uma troca física significativa.”

Esta descoberta avança a nossa compreensão dos processos internos da Terra, sugerindo um ciclo global da água mais extenso do que o anteriormente reconhecido. A mudança da “camada” do núcleo tem implicações profundas para os ciclos geoquímicos que ligam o ciclo das águas superficiais ao núcleo mineral profundo.

Referência: “Uma camada rica em hidrogênio no núcleo externo superior se origina de água profundamente submersa” por Taehyun Kim, Joseph J. O’Rourke, Jeongmin Lee, Stella Chariton, Vitaly Prakapinka, Rachel J. Husband, Nico Giordano, Hans-Peter Lerman, Sang-Hyun Shim e Youngjae Lee, 13 de novembro de 2023, Ciências naturais da terra.
doi: 10.1038/s41561-023-01324-x

O estudo foi conduzido por uma equipe internacional de geocientistas usando técnicas experimentais avançadas na Fonte Avançada de Fótons no Laboratório Nacional de Argonne e no PETRA III da Deutsches Elektronen-Synchrotron na Alemanha para replicar as condições extremas na fronteira núcleo-manto.

Os membros da equipe e suas principais funções na ASU são Kim, que iniciou este projeto como estudante visitante de doutorado e agora é pesquisador de pós-doutorado na Escola de Exploração Terrestre e Espacial; Wasim, professor da Escola de Exploração Terrestre e Espacial, que liderou o trabalho experimental de alta pressão; O’Rourke, professor assistente na Escola de Exploração da Terra e do Espaço, realizou simulações computacionais para compreender a formação e continuidade da camada fina e mutável no núcleo. Lee liderou a equipe de pesquisa da Universidade Yonsei, juntamente com os principais cientistas Vitaly Prakapinka e Stella Chariton da Advanced Photon Source e Rachel Zug, Nico Giordano e Hans-Peter Lerman da Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Este trabalho foi apoiado pelo Programa de Ciências da Terra da NSF.