Por razões desconhecidas, o núcleo interno de ferro sólido da Terra está crescendo mais rápido de um lado do que do outro, desde que começou a solidificar do ferro fundido, há mais de meio bilhão de anos, de acordo com um novo estudo dos sismólogos da a Universidade da Califórnia, Berkeley.
O crescimento mais rápido sob o Mar de Banda da Indonésia não deixou o núcleo desequilibrado. A gravidade distribui uniformemente o novo crescimento – cristais de ferro que se formam à medida que o ferro derretido esfria – para manter um núcleo interno esférico que cresce em raio em uma média de 1 milímetro por ano.
Mas o maior crescimento de um lado sugere que algo no núcleo externo da Terra ou manto sob a Indonésia está removendo calor do núcleo interno em uma taxa mais rápida do que no lado oposto, sob o Brasil. O resfriamento mais rápido de um lado aceleraria a cristalização do ferro e o crescimento do núcleo interno desse lado.
Isso tem implicações para o campo magnético da Terra e sua história, porque a convecção no núcleo externo impulsionada pela liberação de calor do núcleo interno é o que hoje move o dínamo que gera o campo magnético que nos protege das partículas perigosas do sol.
“Fornecemos limites bastante flexíveis para a idade do núcleo interno – entre meio bilhão e 1,5 bilhão de anos – que podem ajudar no debate sobre como o campo magnético foi gerado antes da existência do núcleo interno sólido”, disse Barbara Romanowicz, professora da UC Berkeley na Escola de Graduação do Departamento de Ciências da Terra e Planetárias e diretora emérita do Laboratório de Sismologia de Berkeley (BSL). “Sabemos que o campo magnético já existia 3 bilhões de anos atrás, então outros processos devem ter conduzido a convecção no núcleo externo naquela época.”
A tenra idade do núcleo interno pode significar que, no início da história da Terra, o calor que fervia o núcleo fluido veio dos elementos leves que se separam do ferro, não da cristalização do ferro, que vemos hoje.
“O debate sobre a idade do núcleo interno já dura há muito tempo”, disse Daniel Frost, cientista assistente do projeto na BSL. “A complicação é: se o núcleo interno foi capaz de existir apenas por 1,5 bilhão de anos, com base no que sabemos sobre como ele perde calor e como está quente, então de onde veio o antigo campo magnético? ideia de elementos de luz dissolvidos que então congelam. ”
Ferro congelante
O crescimento assimétrico do núcleo interno explica um mistério de três décadas – que o ferro cristalizado no núcleo parece estar preferencialmente alinhado ao longo do eixo de rotação da Terra, mais no oeste do que no leste, enquanto se esperaria que o os cristais devem ser orientados aleatoriamente.
A evidência desse alinhamento vem de medições do tempo de viagem de ondas sísmicas de terremotos através do núcleo interno. As ondas sísmicas viajam mais rápido na direção do eixo de rotação norte-sul do que ao longo do equador, uma assimetria que os geólogos atribuem aos cristais de ferro – que são assimétricos – com seus longos eixos preferencialmente alinhados ao longo do eixo da Terra.
Se o núcleo é de ferro cristalino sólido, como os cristais de ferro se orientam preferencialmente em uma direção?
Na tentativa de explicar as observações, Frost e colegas Marine Lasbleis da Université de Nantes na França e Brian Chandler e Romanowicz da UC Berkeley criaram um modelo computacional de crescimento de cristal no núcleo interno que incorpora modelos de crescimento geodinâmicos e a física mineral do ferro em alta pressão e alta temperatura.
“O modelo mais simples parecia um pouco incomum – que o núcleo interno é assimétrico”, disse Frost. “O lado oeste parece diferente do lado leste até o centro, não apenas no topo do núcleo interno, como alguns sugeriram. A única maneira de explicar isso é um lado crescendo mais rápido do que o outro.”
O modelo descreve como o crescimento assimétrico – cerca de 60% maior no leste do que no oeste – pode orientar preferencialmente os cristais de ferro ao longo do eixo de rotação, com mais alinhamento no oeste do que no leste, e explica a diferença na velocidade da onda sísmica no interior testemunho.
“O que estamos propondo neste artigo é um modelo de convecção sólida desequilibrada no núcleo interno que reconcilia observações sísmicas e condições de contorno geodinâmicas plausíveis”, disse Romanowicz.
Frost, Romanowicz e seus colegas irão relatar suas descobertas na edição desta semana da revista Nature Geoscience.
Sondando o interior da Terra com ondas sísmicas
O interior da Terra tem camadas como uma cebola. O núcleo interno de ferro-níquel sólido – hoje 1.200 quilômetros (745 milhas) de raio, ou cerca de três quartos do tamanho da lua – é cercado por um núcleo externo fluido de ferro fundido e níquel com cerca de 2.400 quilômetros (1.500 milhas) de espessura. O núcleo externo é cercado por um manto de rocha quente com 2.900 quilômetros (1.800 milhas) de espessura e coberto por uma crosta rochosa fina e fria na superfície.
A convecção ocorre tanto no núcleo externo, que ferve lentamente à medida que o calor do ferro em cristalização sai do núcleo interno, quanto no manto, conforme a rocha mais quente se move para cima para transportar esse calor do centro do planeta para a superfície. O movimento vigoroso de ebulição no núcleo externo de ferro líquido produz o campo magnético da Terra.
De acordo com o modelo de computador de Frost, que ele criou com a ajuda de Lasbleis, à medida que os cristais de ferro crescem, a gravidade redistribui o excesso de crescimento do leste em direção ao oeste dentro do núcleo interno. Esse movimento dos cristais dentro do sólido um tanto macio do núcleo interno – que está próximo ao ponto de fusão do ferro nessas altas pressões – alinha a estrutura do cristal ao longo do eixo de rotação da Terra em um grau maior no oeste do que no leste.
O modelo prevê corretamente as novas observações dos pesquisadores sobre os tempos de viagem das ondas sísmicas através do núcleo interno: a anisotropia, ou diferença nos tempos de viagem paralelos e perpendiculares ao eixo de rotação, aumenta com a profundidade, e a anisotropia mais forte é deslocada para o oeste da Terra eixo de rotação em cerca de 400 quilômetros (250 milhas).
O modelo de crescimento do núcleo interno também fornece limites para a proporção de níquel em relação ao ferro no centro da Terra, disse Frost. Seu modelo não reproduz com precisão as observações sísmicas, a menos que o níquel compõe entre 4% e 8% do núcleo interno – o que é próximo à proporção em meteoritos metálicos que uma vez presumivelmente foram os núcleos de planetas anões em nosso sistema solar. O modelo também informa aos geólogos o quão viscoso, ou fluido, é o núcleo interno.
“Sugerimos que a viscosidade do núcleo interno é relativamente grande, um parâmetro de entrada de importância para os geodinamicistas que estudam os processos do dínamo no núcleo externo”, disse Romanowicz.
Publicado em 05/06/2021 01h08
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