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Nascimento de uma teoria
Algumas grandes ideias realmente sacodem o mundo. Durante séculos, a camada mais externa da Terra foi considerada estática, rígida, travada no lugar. Mas a teoria das placas tectônicas abalou essa imagem do planeta até o âmago. As placas tectônicas revelam como a superfície da Terra está em movimento constante e como suas características – vulcões, terremotos, bacias oceânicas e montanhas – estão intrinsecamente ligadas ao seu interior quente. As paisagens familiares do planeta, sabemos agora, são produtos de um ciclo de éons no qual o planeta se refaz constantemente.
Quando a teoria das placas tectônicas surgiu na década de 1960, tornou-se uma teoria unificadora, “a primeira teoria global a ser geralmente aceita em toda a história das ciências da terra”, escreve a historiadora da ciência da Universidade de Harvard Naomi Oreskes, na introdução de Plate Tectonics: An Insider’s History da Teoria Moderna da Terra. Em 1969, o geofísico J. Tuzo Wilson comparou o impacto dessa revolução intelectual nas ciências da terra à teoria geral da relatividade de Einstein, que produziu uma reviravolta semelhante no pensamento sobre a natureza do universo.
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A tectônica de placas descreve como toda a camada mais externa da Terra, com 100 quilômetros de espessura, chamada de litosfera, é quebrada em um quebra-cabeça de placas – placas de rocha que sustentam os continentes e o fundo do mar – que deslizam sobre uma camada interna quente e lenta. Movendo-se a taxas entre 2 e 10 centímetros a cada ano, algumas placas colidem, algumas divergem e algumas ralam umas nas outras. Um novo leito marinho é criado no centro dos oceanos e perdido conforme as placas voltam para o interior do planeta. Este ciclo dá origem a muitas das maravilhas geológicas da Terra, bem como aos seus riscos naturais.
“É incrível como ele ligou as peças: espalhando-se no fundo do mar, faixas magnéticas no fundo do mar … onde os terremotos se formam, onde as cadeias de montanhas se formam”, diz Bradford Foley, geodinamicista da Penn State. “Quase tudo se encaixa.”
Com tantas linhas de evidência agora conhecidas, a teoria parece óbvia, quase inevitável. Mas a jornada conceitual de massas de terra fixas para uma Terra agitada e inquieta foi longa e tortuosa, pontuada por momentos de puro insight e guiada por décadas de obstinada coleta de dados.
Continentes à deriva
Em 1912, o meteorologista alemão Alfred Wegener propôs em uma reunião da Associação Geológica de Frankfurt que as massas de terra da Terra poderiam estar em movimento. Na época, a ideia predominante era de que as montanhas se formavam como rugas no planeta à medida que ele lentamente perdia o calor da formação e sua superfície se contraía. Em vez disso, sugeriu Wegener, as montanhas se formam quando os continentes colidem ao deslizarem pela superfície do planeta. Embora agora muito distantes, os continentes já foram unidos como um supercontinente Wegener apelidado de Pangéia, ou “toda a Terra”. Isso explicaria por que rochas do mesmo tipo e idade, bem como fósseis idênticos, são encontrados em ambos os lados do Oceano Atlântico, por exemplo.
Essa ideia de continentes à deriva intrigou alguns cientistas. Muitos outros, especialmente geólogos, não ficaram impressionados, hostis e até horrorizados. A ideia de Wegener, pensaram os detratores, era muito especulativa, não fundamentada o suficiente nos princípios geológicos prevalecentes, como o uniformitarismo, que sustenta que as mesmas forças geológicas de movimento lento em ação na Terra hoje também devem ter agido no passado. O princípio foi pensado para exigir que os continentes sejam fixados em seus lugares.
O geólogo alemão Max Sempre escreveu com desdém em 1917 que a ideia de Wegener “foi estabelecida com um uso superficial de métodos científicos, ignorando os vários campos da geologia”, acrescentando que esperava que Wegener voltasse sua atenção para outros campos da ciência e deixasse a geologia de lado. Ó santo São Floriano, proteja esta casa, mas queime as outras! – ele escreveu sarcasticamente.
O debate entre “mobilistas” e “fixistas” durou toda a década de 1920, ganhando força à medida que se infiltrava nos círculos de língua inglesa. Em 1926, em uma reunião na cidade de Nova York da American Association of Petroleum Geologists, o geólogo Rollin T. Chamberlin rejeitou a hipótese de Wegener como uma mistura de observações não relacionadas. A ideia, disse Chamberlin, “é do tipo frouxo, na medida em que leva considerável liberdade com nosso globo e é menos limitada por restrições ou amarrada por fatos desagradáveis e feios do que a maioria de suas teorias rivais”.
Um dos pontos mais persistentes para a ideia de Wegener, agora chamada de deriva continental, era que ela não conseguia explicar como os continentes se moviam. Em 1928, o geólogo inglês Arthur Holmes apresentou uma explicação potencial para esse movimento. Ele propôs que os continentes poderiam estar flutuando como jangadas sobre uma camada de rochas viscosas parcialmente derretidas nas profundezas da Terra. O calor da decomposição de materiais radioativos, sugeriu ele, leva essa camada a uma fervura lenta, criando grandes correntes circulantes dentro da rocha derretida que, por sua vez, mudam lentamente os continentes.
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Holmes admitiu que não tinha dados para apoiar a ideia, e a comunidade geológica permaneceu em grande parte não convencida da deriva continental. Os geólogos se voltaram para outros assuntos, como desenvolver uma escala de magnitude para a intensidade do terremoto e conceber um método para datar com precisão materiais orgânicos usando a forma radioativa do carbono, o carbono-14.
Inundação de dados
O interesse reavivado pela deriva continental surgiu na década de 1950 a partir de evidências de uma fonte inesperada – o fundo dos oceanos. A Segunda Guerra Mundial trouxe o rápido desenvolvimento de submarinos e sonares, e os cientistas logo colocaram as novas tecnologias para trabalhar no estudo do fundo do mar. Usando o sonar, que faz um ruído no fundo do mar com ondas sonoras e detecta um pulso de retorno, os pesquisadores mapearam a extensão de uma cadeia montanhosa submarina contínua e ramificada com uma longa rachadura no centro. Este sistema de fenda mundial serpenteia por mais de 72.000 quilômetros ao redor do globo, cortando os centros dos oceanos do mundo.
Armados com magnetômetros para medir campos magnéticos, os pesquisadores também mapearam a orientação magnética das rochas do fundo do mar – como seus minerais contendo ferro são orientados em relação ao campo da Terra. As equipes descobriram que as rochas do fundo do mar têm um padrão peculiar de “faixa de zebra”: bandas de polaridade normal, cuja orientação magnética corresponde ao campo magnético atual da Terra, alternam-se com bandas de polaridade invertida. Essa descoberta sugere que cada uma das bandas se formou em momentos diferentes.
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Enquanto isso, o crescente apoio à detecção e proibição de testes nucleares subterrâneos também criou uma oportunidade para os sismólogos: a chance de criar uma rede global padronizada de estações sismográficas. No final da década de 1960, cerca de 120 estações diferentes foram instaladas em 60 países diferentes, desde as montanhas da Adis Abeba na Etiópia aos corredores da Universidade de Georgetown em Washington, D.C., ao Pólo Sul congelado. Graças à inundação resultante de dados sísmicos de alta qualidade, os cientistas descobriram e mapearam os rumores ao longo do sistema de fendas meso-oceânicas, agora chamadas de dorsais meso-oceânicas, e abaixo das trincheiras. Os terremotos perto de fossas oceânicas muito profundas foram particularmente curiosos: eles se originaram muito mais profundamente no subsolo do que os cientistas pensaram ser possível. E as cristas eram muito quentes em comparação com o fundo do mar circundante, aprenderam os cientistas usando sondas de aço finas inseridas em núcleos perfurados a partir de um navio para o fundo do mar.
No início dos anos 1960, dois pesquisadores trabalhando independentemente, o geólogo Harry Hess e o geofísico Robert S. Dietz, juntaram as pistas díspares – e adicionaram a velha ideia de Holmes de uma camada subjacente de correntes circulantes dentro da rocha quente. As dorsais meso-oceânicas, cada uma afirmada, podem ser onde a circulação empurra as rochas quentes em direção à superfície. As forças poderosas separam pedaços da litosfera da Terra. Na lacuna, a lava borbulha – e um novo leito marinho nasce. À medida que os pedaços da litosfera se separam, um novo fundo do mar continua a se formar entre eles, chamado de “expansão do fundo do mar”.
O impulso culminou em uma reunião de dois dias de talvez apenas 100 cientistas da Terra em 1966, realizada no Instituto Goddard de Estudos Espaciais em Nova York. “Ficou bastante claro, nesta conferência em Nova York, que tudo iria mudar”, disse o geofísico da Universidade de Cambridge Dan McKenzie à Geological Society of London em 2017 em uma reflexão sobre o encontro.
Mas, ao entrar, “ninguém tinha ideia” de que esse encontro se tornaria um momento crucial para as ciências da terra, diz a sismóloga Lynn Sykes, da Universidade de Columbia. Sykes, então um recém-formado Ph.D., foi um dos convidados; ele tinha acabado de descobrir um padrão distinto nos terremotos nas dorsais meso-oceânicas. Esse padrão mostrou que o fundo do mar em cada lado das cristas estava se separando, uma evidência fundamental para as placas tectônicas.
Na reunião, conversa após conversa acumulou dados sobre dados para apoiar a expansão do fundo do mar, incluindo os dados do terremoto de Sykes e aqueles padrões simétricos de listras de zebra. Logo ficou claro que essas descobertas estavam construindo uma narrativa unificada: as dorsais meso-oceânicas eram o berço do novo fundo do mar e as trincheiras oceânicas profundas eram túmulos onde a litosfera antiga era reabsorvida para o interior. Este ciclo de nascimento e morte abriu e fechou os oceanos repetidamente, aproximando os continentes e depois separando-os.
A evidência foi esmagadora, e foi durante esta conferência “que a vitória do mobilismo foi claramente estabelecida”, escreveu o geofísico Xavier Le Pichon, anteriormente um cético da expansão do fundo do mar, em 2001 em seu ensaio retrospectivo “Minha conversão para placas tectônicas”, incluindo no livro de Oreskes.
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Surgem as placas tectônicas
Toda a comunidade de ciências da terra tomou conhecimento dessas descobertas na primavera seguinte, na reunião anual da American Geophysical Union. Wilson expôs as várias linhas de evidência para esta nova visão do mundo para um público muito maior em Washington, DC. Naquela época, houve notavelmente pouca resistência da comunidade, Sykes diz: “Imediatamente, eles aceitaram, o que foi surpreendente.”
Os cientistas agora sabiam que o fundo do mar da Terra e os continentes estavam em movimento, e que cristas e trincheiras marcavam as bordas de grandes blocos de litosfera. Mas como esses blocos estavam se movendo, todos em conjunto, ao redor do planeta? Para traçar a coreografia dessa dança complexa, dois grupos separados aproveitaram um teorema desenvolvido pelo matemático Leonhard Euler no século XVIII. O teorema mostrou que um corpo rígido se move em torno de uma esfera como se estivesse girando em torno de um eixo. McKenzie e o geofísico Robert Parker usaram esse teorema para calcular a dança dos blocos litosféricos – as placas. Sem o conhecimento deles, o geofísico W. Jason Morgan, independentemente, veio com uma solução semelhante.
CORTESIA DO ESCRITÓRIO DE EXPLORAÇÃO E PESQUISA DO OCEANO
Com esta última peça, nasceu a teoria unificadora das placas tectônicas. A velha disputa sobre a deriva continental agora parecia não apenas antiquada, mas também “um antídoto preocupante para a autoconfiança humana”, disse o físico Egon Orowan à Science News em 1970.
As pessoas se beneficiaram muito com essa visão mais clara do funcionamento da Terra, incluindo a capacidade de se preparar melhor para terremotos, tsunamis e vulcões. As placas tectônicas também moldaram novas pesquisas científicas, oferecendo informações cruciais sobre como o clima muda e sobre a evolução da vida na Terra.
E ainda há tanto que não entendemos, como quando e como a mudança incessante da superfície da Terra começou – e quando pode terminar. Igualmente intrigante é por que as placas tectônicas não parecem acontecer em outras partes do sistema solar, diz Lindy Elkins-Tanton, uma cientista planetária da Arizona State University em Tempe. – Como algo pode ser uma revolução intelectual completa e também inexplicável ao mesmo tempo
– Carolyn Gramling
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Compreendendo nossa Terra
Nas décadas desde que as placas tectônicas foram estabelecidas, os cientistas cada vez mais apimentaram o planeta com sensores sísmicos que captam os ruídos da Terra, detectaram o fundo do mar com sonares de navios e perfuraram núcleos na superfície do planeta. Novas tecnologias também se juntaram à caixa de ferramentas, incluindo sistemas de posicionamento por satélite, como GPS, que podem ajudar a rastrear movimentos do solo ao longo do tempo, e computadores cada vez mais poderosos que podem interpretar e analisar grandes quantidades de dados.
Essas ferramentas ofereceram novas vistas do exterior da Terra e abriram novas janelas para seu interior. Na década de 1960, por exemplo, pesquisadores demonstraram que cadeias de montanhas subaquáticas chamadas de dorsais meso-oceânicas eram locais onde duas placas tectônicas se afastavam uma da outra e onde um novo fundo do mar estava se formando. Mas no início da década de 1970, os cientistas pela primeira vez viram as consequências de perto, com as primeiras explorações submersíveis tripuladas de uma dorsal meso-oceânica no Oceano Atlântico.
E as dorsais meso-oceânicas trouxeram mais surpresas: alguns anos depois, oceanógrafos explorando outra dorsal meso-oceânica, a Rift das Galápagos no Oceano Pacífico, descobriram as primeiras fontes hidrotermais conhecidas, fissuras que expelem água superaquecida rica em minerais. Para a surpresa dos membros da equipe, as aberturas estavam repletas de vermes tubulares gigantes, mariscos e outras formas de vida.
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Novos dados sísmicos abundantes e poder de computação ampliado, entretanto, levaram a percepções sobre as regiões misteriosas onde as placas tectônicas da Terra estavam afundando de volta para o interior do planeta, chamadas de “zonas de subducção”. Uma placa pesada de litosfera afundando, descobriram os pesquisadores, pode exercer uma atração extremamente poderosa no resto da placa – a primeira sugestão de que a subducção pode ser um dos principais motores para manter as placas em movimento. Os cientistas também descobriram que essas placas podem descer muito mais fundo no interior da Terra do que se pensava e podem desempenhar um grande papel em estimular a circulação de rocha densa e quente dentro do manto, a camada de 2.900 quilômetros de espessura entre a camada externa rígida do planeta e seu núcleo metálico superaquecido.
Outros pesquisadores começaram a investigar a estranheza dos vulcões “hot spot”, como a cadeia de ilhas do Havaí, que estão localizadas estranhamente longe das bordas das placas tectônicas. Uma vez que se pensava que se originava de magma acumulado logo abaixo da superfície, imagens sísmicas do manto sugeriram que os vulcões são, em vez disso, alimentados por gigantescas plumas flutuantes de material quente derretido originando centenas a milhares de quilômetros de profundidade dentro do planeta, alguns quase até o centro .
Mas para cada nova descoberta ou pergunta respondida, surgem dezenas de outras sobre a natureza dinâmica do planeta. Aqui estão alguns dos grandes:
Podemos prever terremotos?
“A grande questão é se há alguma esperança de sermos capazes de prever terremotos”, disse a sismologista Lynn Sykes, da Universidade de Columbia.
Para tentar responder a isso, os cientistas estão procurando entender a física de como as falhas se movem. Não é um problema fácil: conforme as placas tectônicas se chocam, o estresse aumenta nas rochas, criando redes complexas de fraturas. Essas zonas de falha podem incluir rachaduras microscópicas e vastas fissuras. Algumas falhas podem deslizar repentinamente, causando um terremoto; outros podem avançar mais devagar, possivelmente anunciando um terremoto muito maior no futuro próximo. Um terremoto pode “pular” de uma falha para outra conforme o local da tensão muda. A presença – ou remoção de – água subterrânea adiciona mais uma ruga. A circulação de água subterrânea pode ajudar a lubrificar uma falha ou pode adicionar novo estresse.
Os cientistas estão tentando encontrar ordem nesse aparente caos. As redes sísmicas se expandiram dramaticamente nas últimas décadas, com cerca de 26.000 estações sísmicas instaladas atualmente em todo o mundo. Mais estações significam medições mais precisas de onde um terremoto começou e quão rápido ele viaja, adicionando alguns segundos extras a minutos de aviso.
DAVID WEINTRAUB / SCIENCE SOURCE
Mas os cientistas estão caçando mais dados. Uma estratégia é extrair o máximo de informações possível dos registros sísmicos existentes. Ao treinar computadores para distinguir até o mais ínfimo dos terremotos de outros tipos de tremor de solo, como o tráfego de passagem, os cientistas aumentaram o número de terremotos do sul da Califórnia registrados em uma década por um fator de 10, por exemplo. Outra estratégia é aumentar drasticamente a quantidade de dados coletados em primeiro lugar. Alguns cientistas estão experimentando o uso de cabos de fibra ótica subterrâneos para criar matrizes sísmicas densas, uma técnica chamada sensoriamento acústico distribuído.
Terremotos em zonas de subducção são particularmente difíceis de entender, diz Sykes. Os terremotos da zona de subdução são responsáveis por alguns dos terremotos mais destrutivos já registrados, incluindo a ruptura de magnitude 9,1 de 2004 na costa da Indonésia, que gerou um tsunami mortal que matou mais de 250.000 pessoas, e o terremoto de magnitude 9,0 de 2011 no Japão que lançou um tsunami, matando mais de 15.000 pessoas. O terremoto de 2011 também paralisou a usina de energia Fukushima Daiichi, liberando partículas radioativas na atmosfera e nas águas subterrâneas.
PROGRAMA DE VOLCANISMO GLOBAL DA INSTITUIÇÃO SMITHSONIAN
E esses terremotos assassinos são notoriamente difíceis de prever. As zonas de subdução criam valas subaquáticas extremamente profundas, tornando muito difícil instalar sensores na placa de subdução que podem ajudar a identificar onde a tensão pode estar se acumulando antes de um futuro terremoto. “Grande parte da atividade acontece no mar,” onde a placa de afundamento fica sob águas muito profundas, diz Sykes. “Então você não pode se sentar em cima dela.”
Para contornar esse problema, a Guarda Costeira do Japão está testando uma ideia nova: combinar dados de sistemas GPS instalados em terra com dados acústicos coletados de um navio. Essa combinação permite que os cientistas fiquem de olho nas placas subduzidas e busquem mudanças no formato do fundo do mar que podem ser prenúncio de um terremoto. Os satélites com detecção de gravidade, sensíveis a massas de terra em movimento, também podem ajudar; pesquisadores sugerem que os satélites podem ter detectado deformação na zona de subducção do Japão meses antes do terremoto de 2011.
Por que os vulcões entram em erupção?
Tal como acontece com os terremotos, a previsão de erupções vulcânicas continua difícil. Os cientistas podem detectar estrondo dentro de um vulcão causado pelo movimento do magma usando sismômetros, e as estações de GPS podem detectar mudanças na elevação da terra, incluindo aquelas causadas pelo inchaço do magma abaixo dos flancos de um vulcão.
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Mas o que esses movimentos significam não é óbvio. “Cada vulcão tem sua própria personalidade”, e é difícil classificá-los em categorias amplas, diz John Vidale, sismólogo da Universidade do Sul da Califórnia em Los Angeles. Às vezes, o magma que se move sob um vulcão apenas se acumula em grandes câmaras subterrâneas. Às vezes, ele vem direto para a superfície. Diferentes vulcões também têm diferentes sistemas de “encanamento” de magma: em alguns, como o Monte Santa Helena de Washington, o magma sobe de um vasto reservatório subterrâneo profundo para outra grande câmara logo abaixo da superfície. Em outros, como o Kilauea do Havaí, longos conduítes serpenteiam para os lados, alimentando a lava em várias fendas na superfície.
Ainda não está claro como os diferentes sistemas de encanamento podem afetar a explosão de uma erupção. Mesmo vulcões intensamente estudados, como o Kilauea, continuam a surpreender – em 2018, por exemplo, o usual e lento escoamento de lava do vulcão foi pontuado por explosões de uma lava muito mais rica em gás de algumas das fissuras.
Às vezes, uma série de terremotos lentos e profundos pressagia uma erupção poderosa, como no caso da erupção do Monte Pinatubo nas Filipinas em 1991. Outras vezes, esses terremotos são apenas resmungos silenciosos. Dizer qual é o caso de um determinado vulcão pode ser mais uma arte do que uma ciência, acrescenta Vidale.
Como se formam os “pontos quentes”?
A maioria dos vulcões da Terra se forma nas bordas dos limites das placas tectônicas. Mas alguns dos vulcões mais famosos da Terra – como os das ilhas havaianas – surgem no meio de uma placa e são alimentados por “pontos quentes” isolados de magma subindo das profundezas do manto. Os cientistas ainda estão tentando entender por que e como esses pontos quentes se formam.
As ilhas havaianas são um quebra-cabeça geológico há décadas. Mesmo antes da teoria das placas tectônicas, os cientistas se perguntavam quais forças poderiam criar uma cadeia de vulcões de 2.400 quilômetros de comprimento, todos perfeitamente alinhados como patinhos em uma fileira (incluindo muitos que estão debaixo d’água). Em 1963, o geofísico J. Tuzo Wilson sugeriu que a nova ideia de expansão do fundo do mar pode ter algo a ver com isso. Se o fundo do mar estivesse deslizando por uma região estacionária de magma logo abaixo da litosfera da Terra, ou um ponto quente, o resultado poderia ser uma marcha linear de vulcões progressivamente mais velhos.
Em 1971, a revolução das placas tectônicas estava em andamento, mas o Havaí ainda era um quebra-cabeça. O geofísico W. Jason Morgan adotou o conceito de hot spot, mas foi mais fundo. Ele sugeriu que os pontos quentes são alimentados por plumas de magma subindo milhares de quilômetros da base do manto, onde encontra o núcleo da Terra.
A hipótese da pluma de manto de Morgan continua sendo a ideia dominante até hoje. Mas provar isso tem sido complicado, porque os cientistas quase não têm dados diretos do interior da Terra e devem inferir o que existe lá usando métodos indiretos. Uma ferramenta que os cientistas possuem é a tomografia sísmica, uma técnica de visualização semelhante à tomografia computadorizada. Usando várias ondas sísmicas de terremotos, os cientistas podem criar imagens 3-D do interior da Terra, com base em observações de onde as ondas diminuem ou aumentam devido a mudanças na temperatura ou na composição mineral. Com a tomografia sísmica, os cientistas identificaram plumas profundas, como esperado, abaixo do Havaí e Samoa. Mas essas plumas profundas não foram encontradas abaixo de outros pontos quentes ao redor do globo, como abaixo do ponto quente de Yellowstone. Em alguns casos, pode ser um problema de imagem; algumas plumas podem ser muito pequenas para serem detectadas com esta técnica.
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Por que e como as plumas de pontos quentes se formam em primeiro lugar ainda é um mistério. Alguns cientistas suspeitam que as plumas podem estar conectadas a outro mistério do manto de longa data. Na década de 1980, usando a tomografia sísmica, os cientistas descobriram duas “zonas anômalas” massivas perto do fundo do manto, regiões onde as ondas sísmicas viajam muito mais lentamente do que nas rochas vizinhas. Um fica abaixo da África (mais tarde apelidado de “Tuzo” pelos geofísicos) e outro abaixo do Oceano Pacífico (conhecido como “Jason”). Essas regiões podem representar pilhas de litosfera subduzida há muito tempo, e sua composição geoquímica se parece muito com a lava que explodiu de alguns – mas não todos – vulcões de pontos quentes.
Os cientistas estão trabalhando arduamente para determinar se e como exatamente essas zonas anômalas podem dar origem a plumas de pontos quentes. Mas ainda há muita incerteza sobre a ligação final entre vulcões de pontos quentes, placas subduzidas e as entranhas da Terra.
– Carolyn Gramling
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Uma força para o clima
Antes, cerca de 2,4 bilhões de anos atrás, o dióxido de carbono e o metano envolviam a Terra em uma névoa global. A atmosfera quase não continha oxigênio – embora algas unicelulares produtoras de oxigênio nos oceanos da Terra tivessem começado a exalar oxigênio há 3 bilhões de anos.
Então, de repente, os níveis de oxigênio atmosférico aumentaram, um fenômeno agora conhecido como o Grande Evento de Oxidação. A causa dessa transição química abrupta é um mistério antigo.
Mas uma possibilidade é que a Terra se moveu.
Uma grande onda de erupções vulcânicas há cerca de 2,5 bilhões de anos pode ter estimulado o evento, diz James Eguchi, geoquímico da Universidade da Califórnia, em Riverside. Usando pistas fornecidas pelas mudanças nos níveis de isótopos de carbono e oxigênio em rochas carbonáticas, Eguchi e seus colegas sugeriram que a lava e as explosões de dióxido de carbono na atmosfera a partir de tais erupções teriam aquecido o planeta e aumentado as chuvas. E isso teria colocado o desgaste em alta velocidade, diz Eguchi.
Explosões vulcânicas de dióxido de carbono em geral são conhecidas por desempenhar um papel fundamental em manter o ciclo do carbono planetário em movimento. Como a água da chuva carregada de CO2, ácida reage com as rochas, puxando o carbono para fora da atmosfera, ela forma novos minerais que vão para o mar. As cianobactérias microscópicas, ou algas azul-esverdeadas, florescem nos oceanos à medida que engolem minerais ricos em carbono, adicionando oxigênio à atmosfera. Alguns dos minerais formam rochas carbonáticas, sequestrando ainda mais carbono. Eventualmente, esses carbonatos do fundo do mar, montados no topo de uma placa tectônica que afunda, são carregados para o interior quente da Terra. Eles derretem e o novo magma sobe, para ser novamente expelido dos vulcões.
Eguchi e seus colegas sugerem que a combinação de intemperismo contínuo de rochas vulcânicas e cianobactérias cada vez mais eficientes, bombeando mais e mais oxigênio, ajudou o gás a se acumular. Os níveis de oxigênio aumentaram de quase zero a cerca de 21% da atmosfera – abrindo caminho para a vida na Terra como a conhecemos.
“É um grande processo cíclico que liga o interior da Terra ao seu clima, bem como à vida”, diz Eguchi.
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O que causou o repentino aumento da atividade vulcânica há 2,5 bilhões de anos é incerto, acrescenta. Mas os cientistas suspeitam que as placas tectônicas podem ter tido muitos começos e falhas antes de realmente começar. A proliferação de vulcões pode sinalizar uma importante transição tectônica, talvez para placas que se movem muito mais rapidamente ou para um movimento mais amplo, até mesmo global, das placas, diz ele.
Avance para cerca de 252 milhões de anos atrás, quando a Terra experimentou outra transição dramática – esta definitivamente atribuída a vilões vulcânicos. Uma das erupções mais devastadoras da história causou um cataclismo climático que matou cerca de 90 por cento das espécies, uma extinção em massa conhecida como a “Grande Morte”.
Tudo começou com uma nuvem de magma quente que subiu das profundezas da Terra para formar uma poça logo abaixo da superfície antes de entrar em erupção violentamente. Mais de 3 milhões de quilômetros cúbicos de rocha derretida cobriram grande parte do que hoje é a Sibéria em apenas 1 milhão de anos. Muito mais devastadores foram os enormes pulsos de dióxido de carbono, metano e outros gases que alteram o clima, que explodiram perto do final das erupções, possivelmente em apenas algumas dezenas de milhares de anos.
Esses gases se espalharam rapidamente pelo globo, elevando as temperaturas globais e transformando terras antes temperadas em desertos. Os gases flúor e cloro corroem a camada de ozônio, permitindo que os raios ultravioleta do sol chamusquem as florestas da Terra. Os oceanos também se tornaram mortais, com a temperatura da água do mar subindo até 15 graus Celsius, enquanto as águas também se tornaram ácidas e pobres em oxigênio, dissolvendo as conchas de alguns habitantes do oceano enquanto outros tentavam respirar.
Esses eventos vulcânicos calamitosos que afetam o planeta são raros na história da Terra, e sua ligação com as placas tectônicas da Terra e o redemoinho de rocha quente e derretida ainda é um quebra-cabeça.
Mas o dinamismo da Terra não é apenas destrutivo. Ao reciclar o carbono para dentro e para fora do interior da Terra, repetidamente, as placas tectônicas acabaram mantendo as temperaturas da Terra notavelmente estáveis. Ele funcionou como um termostato planetário por bilhões de anos, diz Bradford Foley, geodinamicista da Penn State. “É responsável por mediar o clima em longas escalas de tempo geológicas.”
Os movimentos das placas também ajudaram a moldar as características meteorológicas e climáticas que conhecemos hoje, desde as monções asiáticas até a camada de gelo que cobre a Antártica. Começando por volta de 55 milhões de anos atrás, o impulso do subcontinente indiano para o norte para colidir com a placa eurasiana começou a empurrar partes do planalto tibetano para o céu. O planalto isolou efetivamente a Ásia Central do Oceano Índico, evitando que o ar frio e seco sobre a Ásia se aventurasse para o sul. Enquanto isso, o planalto absorve enormes quantidades de energia solar durante o verão. Todo esse calor aquece a atmosfera acima do planalto, e o ar quente que sobe cria poderosas correntes atmosféricas. O ar quente e úmido acima do Oceano Índico é sugado, produzindo as intensas chuvas de monções anuais. Essas chuvas, por sua vez, moldam os padrões climáticos da Índia à China e ao Japão.
A Antártica pode atribuir seu atual estado de gelo à separação da América do Sul. Núcleos de sedimentos mostram que, há cerca de 90 milhões de anos, o continente era coberto por uma floresta pantanosa. Não é porque estava mais perto do equador; a massa de terra mal se moveu desde aquela época. Mas cerca de 35 milhões de anos atrás, a separação das placas da América do Sul e da Antártica abriu um caminho marítimo profundo chamado Passagem de Drake. Foi o suficiente para permitir que a gélida Corrente Circumpolar Antártica circundasse o continente, colocando-o em um profundo congelamento que continua até hoje. Em todo o globo, o caminho das correntes oceânicas é definido pela distribuição das massas de terra e pelo formato das bacias oceânicas; essas correntes transportam calor e, portanto, impulsionam os climas regionais.
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Nos últimos dois séculos, os humanos interferiram na influência lenta e estabilizadora das placas tectônicas no clima da Terra. Aumentamos o termostato adicionando grandes quantidades de dióxido de carbono à atmosfera em um período de tempo muito curto. Essas emissões já estão levando ao rápido aumento das temperaturas globais e à mudança nos padrões de precipitação, elevando o nível do mar e alterando as correntes oceânicas.
Os cientistas esperam entender melhor como será o clima futuro da Terra estudando os estados climáticos anteriores, incluindo a influência de diferentes níveis de dióxido de carbono na atmosfera. Mas as placas tectônicas “não vão nos salvar” de nós mesmos, diz a sismóloga Lynn Sykes, da Universidade de Columbia. “Não é muito importante mudar as coisas em uma escala de tempo de, digamos, 50 anos”, diz Sykes. “As placas tectônicas ainda estão nessa escala de tempo.”
– Carolyn Gramling
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Cadinho da vida
A Terra é o único mundo conhecido com placas tectônicas. Também é o único conhecido por abrigar vida.
Cientistas planetários se perguntam se e como esses dois fatos podem estar relacionados – e o que isso significa para o quão incomum a Terra realmente é, diz Lindy Elkins-Tanton, uma cientista planetária da Universidade do Estado do Arizona em Tempe. “Ninguém sabe como as placas tectônicas começaram na Terra e por que não começou em outro lugar”, acrescenta ela. “É um mistério que se conecta a muitos outros mistérios, e um deles é a habitabilidade.”
Sabemos que as placas tectônicas desempenham um papel poderoso em manter a Terra habitável, principalmente movendo o carbono. “Ele é responsável por mediar o clima em longas escalas de tempo geológicas, garantindo que o clima seja mais ou menos temperado para o resto da vida”, diz Roger Fu, geofísico da Universidade de Harvard.
Quando duas placas tectônicas colidem, uma pode deslizar por baixo da outra, carregando rochas contendo carbono para o interior do planeta. A placa subdutora começa a derreter e vulcões florescem na placa sobreposta, expelindo dióxido de carbono e outros gases para a atmosfera. Conforme o dióxido de carbono se acumula, ele aquece o planeta por meio do efeito estufa.
Essa atmosfera mais quente, então, acelera o desgaste das rochas na superfície da Terra, aumentando a reação química entre a água da chuva rica em dióxido de carbono e as rochas. Essas reações retiram o gás da atmosfera para formar novos minerais de carbono. Os minerais vão para o oceano, onde minúsculas criaturas do oceano usam o carbono para construir suas conchas de carbonato de cálcio. No final, essas criaturas morrem, suas conchas afundam no fundo do oceano e se transformam em rochas carbonáticas. À medida que mais e mais dióxido de carbono é sequestrado da atmosfera desta forma, o planeta esfria – até que, eventualmente, a lenta moagem das placas tectônicas carrega o carbonato para o interior do planeta com uma placa subdutora.
NASA
Este ciclo, ocorrendo ao longo de muitos milhões de anos, não apenas mantém as temperaturas amenas. A agitação também mantém oxigênio, nitrogênio, fósforo e outros nutrientes circulando pela atmosfera, oceanos e rochas – e os transforma quimicamente em formas que os organismos vivos podem usar.
“Isso não quer dizer que a vida não aconteceria sem as placas tectônicas”, diz Fu. “Mas seria muito diferente.”
Na verdade, a primeira vida na Terra pode ser anterior ao início das placas tectônicas. As rochas antigas do planeta apresentam traços de vida que datam de pelo menos 3,4 bilhões de anos atrás, várias centenas de milhões de anos antes das primeiras evidências conhecidas de movimentos de qualquer placa, na forma de estromatólitos fossilizados, estruturas em camadas feitas de micróbios e minerais. Comunidades microbianas semelhantes existem nos tempos modernos em fontes termais, como as do Parque Nacional de Yellowstone. Alguns cientistas especulam que as fontes termais – que contêm a receita bioquímica para a vida, incluindo elementos químicos, água e energia – podem ter definido o cenário para os primeiros anos de vida da Terra.
Certamente, é teoricamente possível para planetas sem placas tectônicas – como a Terra primitiva – ter atmosferas habitáveis e água líquida, bem como calor abundante, diz Bradford Foley, geodinamicista da Penn State. Foley simulou quanto dióxido de carbono poderia vazar do interior de planetas com “tampa estagnada” – planetas como Marte e Mercúrio que têm um único pedaço contínuo de litosfera que se assenta como uma tampa fria e pesada sobre o interior quente. Mesmo nesses planetas, Foley diz, “ainda temos vulcanismo”, porque ainda há rocha quente circulando sob a tampa pesada. Essas erupções liberam dióxido de carbono na atmosfera e produzem novas rochas para intemperismo.
JPL, NASA
O vulcanismo em uma escala que altera o clima pode não durar tanto quanto quando as placas tectônicas mantêm as coisas girando, mas teoricamente pode persistir por 1 bilhão ou 2 bilhões de anos, diz Foley. Isso significa que alguns planetas com tampa estagnada podem criar uma atmosfera e até mesmo ter climas temperados com água líquida, pelo menos por um tempo.
Depois, há Europa, a lua gelada de Júpiter. A superfície da lua é quebrada em um mosaico de placas de gelo que deslizam umas sobre as outras, muito parecidas com as da Terra. “Em vez de subducção, é chamado de subsunção”, diz Fu. Mas o resultado desse ciclo de gelo pode ser semelhante à reciclagem de rochas duras na Terra, movendo nutrientes entre a superfície do gelo e o oceano líquido abaixo, o que por sua vez poderia ajudar a manter a vida na lua.
NASA, JPL-CALTECH, SETI INSTITUTE
“O que exatamente são as placas tectônicas não é uma questão respondida”, diz Fu. O termo, diz ele, tornou-se um conjunto que abrange várias características físicas da Terra – dorsais meso-oceânicas, subducção, movimentação de continentes – bem como processos geoquímicos, como o ciclo de nutrientes. “Mas não há garantia de que sempre terão que acontecer juntos.”
Os cientistas se voltam instintivamente para a Terra como um modelo para estudar outros mundos e como um exemplo do que procurar na busca por habitabilidade, diz Elkins-Tanton. “Muitas das coisas que tentamos explicar nas ciências naturais dependem de estarmos no meio da curva do sino”, diz ela. “Se acabar que somos incomuns, somos um pouco atípicos, então explicar as coisas é muito mais difícil.”
Pode ser que cada mundo tenha sua própria história eclética, diz ela. Acontece que a Terra inclui o poderoso ciclo de placas tectônicas. Mas a vida em outro lugar pode ter encontrado outra maneira.
– Carolyn Gramling
Publicado em 18/01/2021 10h33
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