O ambiente da superfície terrestre hospeda grandes reservatórios de hidrogênio (H, principalmente na forma de água, H2O), nitrogênio (no N2 atmosférico) e carbono (principalmente nas rochas carbonáticas).
H, N e C são às vezes chamados de elementos “voláteis”, ou simplesmente “voláteis”, pelos geocientistas porque muitos dos compostos simples que eles formam são gases em temperatura e pressão padrão. No entanto, a distribuição desses voláteis na Terra é distorcida em relação à sua abundância nos materiais que se acredita ter formado. Esses elementos voláteis são os principais componentes da atmosfera e dos oceanos e elementos-chave para a vida; assim, compreender a origem da composição volátil da Terra é crucial para entender como a Terra desenvolveu um ambiente habitável. Um novo estudo liderado por Haruka Sakuraba do Instituto de Tecnologia de Tóquio e Hiroyuki Kurokawa do Instituto de Ciências da Vida da Terra (ELSI) no Instituto de Tecnologia de Tóquio mostra como eventos dramáticos durante o próprio processo de formação da Terra podem explicar essas observações.
Os meteoritos condríticos estão entre os primeiros materiais sólidos a se formarem no início do Sistema Solar. É comum pensar que eles entregaram os elementos voláteis da Terra com base na análise dos isótopos que eles contêm. No entanto, as abundâncias de C, N e H no que os cientistas chamam de “Terra de silicato em massa” ou “BSE” (que inclui a atmosfera, os oceanos, a crosta e o manto) são significativamente diferentes de suas abundâncias nos condritos; além de serem relativamente menos desses elementos específicos na BSE, há também uma notável falta de nitrogênio. Devido a essas discrepâncias, a origem dos principais elementos voláteis da Terra permanece misteriosa, e estudos anteriores sugeriram que meteoritos ou asteróides diferenciados e não condríticos podem tê-los gerado.
O novo estudo mostrou que o padrão de depleção C, N e H da BSE poderia de fato ser devido à queda contínua de corpos condríticos se seus voláteis fossem afetados pelo próprio processo de formação da Terra. Primeiro, o estudo propõe que, uma vez que o planeta era essencialmente uma bola de rocha derretida em seus estágios iniciais, quantidades significativas de C poderiam ter sido removidas para o núcleo da Terra. Mais tarde, conforme o planeta esfriou e solidificou e os oceanos se formaram, C e H teriam sido depositados como água e rochas carbonáticas. Ao mesmo tempo, N permaneceu em grande parte na atmosfera, onde subsequentes impactos explosivos de meteoritos lançaram parte dele no espaço.
Os pesquisadores modelaram a evolução das abundâncias dos voláteis na atmosfera, oceanos, crosta, manto e núcleo desde os primeiros estágios da formação da Terra, levando todos esses fatores em consideração, bem como as restrições sobre a formação da Terra, como seu a mineralogia inicial e a distribuição do tamanho dos asteróides e meteoritos que chegam. Eles então compararam o inventário volátil final sob várias condições com a Terra atual.
Um membro da equipe Kurokawa diz: “As origens do ambiente habitável da Terra e como a vida surgiu são, sem dúvida, questões emocionantes. O fato de a Terra ser habitável não é apenas porque tem água líquida em sua superfície, embora isso seja importante, mas também porque sua atmosfera C e N ajudam a manter a superfície da Terra quente o suficiente para sustentar a água líquida. A abundância desses principais elementos voláteis é importante; se aumentássemos ou diminuíssemos sua abundância por um fator de algumas vezes, a Terra poderia ter sido um planeta completamente seco ou completamente coberto pelo oceano, ou seu clima pode ter sido extremamente quente ou frio. ”
Kurokawa explica ainda que os cientistas estão há alguns anos interessados em uma região em torno de estrelas que eles chamam de “zona habitável” ou HZ, que é uma distância na qual um planeta recebe energia suficiente da luz solar para manter a superfície do planeta fria o suficiente para reter água, mas quente o suficiente para manter a água líquida. Se um planeta existe no HZ também depende, no entanto, da massa e da composição química do planeta, uma vez que planetas pequenos e de baixa massa perdem mais facilmente os voláteis devido ao escape gravitacional, e as atmosferas planetárias podem ajudar a aquecer os planetas capturando a radiação infravermelha que sai de lá. -chamado de aquecimento com efeito de estufa.
O estudo explica a abundância dos principais elementos voláteis da Terra e mostra que a composição volátil da Terra é um resultado natural da formação de um planeta do tamanho da Terra em um HZ. Em contraste, os pesquisadores sugerem que Vênus (que se formou mais perto do Sol do que o HZ proposto) e Marte (que é dez vezes menor que a Terra) devem ter adquirido abundâncias voláteis diferentes.
Os autores acreditam que esses resultados podem ajudar a prever quais planetas extrasolares nos HZs de suas estrelas hospedeiras devem ser verdadeiramente habitáveis. Os astrônomos já encontraram planetas do tamanho da Terra localizados em HZs em torno de outras estrelas, embora seus ambientes de superfície não sejam observáveis até agora. Este estudo prevê que, desde que tais planetas se formem de forma semelhante à Terra, eles realmente serão planetas semelhantes à Terra; e pode ter abundância dos principais elementos voláteis semelhantes à Terra e, portanto, provavelmente evoluir como a Terra e, portanto, também bons candidatos para procurar vida fora da Terra.
Os autores observam que há alguma incerteza em alguns dos parâmetros que modelaram. Cada parâmetro possui um grau diferente de incerteza. Por exemplo, como os elementos se dividem entre o magma de silicato e o metal formador de núcleo tem uma incerteza de ordem de magnitude normalmente. Incorporar todos esses diferentes processos em um único modelo de forma simples e quantificar a influência de suas incertezas exigiu executar seu modelo muitas vezes com parâmetros diferentes.
Diz Kurokawa, “Estamos interessados em como os ambientes habitáveis que podem sustentar a vida podem se desenvolver na Terra e em outros planetas e, conseqüentemente, a questão” A Terra é especial ou comum? “. O ambiente da superfície da Terra não é controlado apenas por sua distância do Sol e a presença de água, mas também por seu inventário dos principais elementos voláteis, como C, N e H. Esta é uma questão importante em particular porque a abundância volátil da Terra difere muito dos corpos primitivos do Sistema Solar em nosso Sistema Solar do qual a Terra é pensado para ter formado. ”
Tentativas anteriores de explicar a abundância dos elementos voláteis da Terra se concentraram na consideração limitada da interação dos processos de formação de planetas. Este estudo é o primeiro a modelar como a abundância dos principais elementos voláteis pode ter mudado durante o acréscimo da Terra e como podemos reproduzir a composição observada.
“Uma das novas questões que este trabalho levanta é como a distribuição dos principais elementos voláteis foi determinada no início da história da Terra”, acrescenta Kurokawa. “Nosso modelo prevê que esses voláteis estavam hospedados na superfície logo após a formação da Terra. Em contraste, o maior reservatório deles hoje é o manto. Placas tectônicas devem ser responsáveis por essa mudança. No entanto, quando e como esses voláteis foram transportados para o manto é uma questão ainda não resolvida. Isso também está relacionado ao surgimento e evolução da vida na Terra; N é às vezes o fator limitante para a atividade biológica, e o atual ciclo de N é amplamente dominado pela vida. ”
Uma questão futura que a equipe pretende abordar é se o mesmo cenário de formação de planetas pode explicar as abundâncias voláteis de outros planetas terrestres, incluindo Vênus, Marte e planetas terrestres extrasolares. A superfície de Vênus, incluindo a atmosfera, será explorada por futuras missões da NASA (DAVINCI +, VERITUS) e da ESA (EnVision). Embora poucos ou nenhum dado esteja disponível para as composições voláteis no interior desses planetas, algumas informações estão disponíveis a partir da análise de meteoritos marcianos e medições sismológicas da missão Mars InSight. A equipe acredita que previsões testáveis para esses planetas podem ser desenvolvidas a partir deste estudo.
Publicado em 03/12/2021 11h12
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