Hidrogênio no núcleo da Terra pode mudar a origem da água da Terra

No coração mais profundo do nosso planeta, ao que tudo indica, existe algo bem maior do que se imaginava - e isso tem potencial para virar de cabeça para baixo a história da água na Terra.

Novos testes de laboratório que simulam as condições brutais do núcleo da Terra sugerem que ali pode estar armazenada uma quantidade enorme de hidrogênio. Se todo esse hidrogênio se combinasse com oxigênio para formar água, o volume resultante poderia equivaler a várias dezenas de oceanos. A descoberta mexe com uma das perguntas centrais da ciência planetária: afinal, de onde veio a água da Terra?

Como sabemos o que acontece dentro da Terra

Ninguém consegue observar o interior diretamente: o núcleo da Terra começa a cerca de 2.900 quilômetros abaixo de nós. As perfurações alcançam apenas alguns quilômetros; a partir daí, tudo depende de medições indiretas e cálculos. Desde o começo do século XX, geofísicos analisam a propagação das ondas de terremotos para “radiografar” o interior do planeta.

Em 1936, a sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann concluiu, com base nesses registros, que o núcleo não é uniforme: ele é composto por um núcleo interno sólido e um núcleo externo líquido. A velocidade dessas ondas permite estimar a densidade das camadas. Ao comparar esses valores com meteoritos ricos em ferro, consolidou-se a imagem clássica: o núcleo é formado principalmente por ferro e níquel.

Mesmo assim, um detalhe chamou atenção desde cedo. A densidade calculada não fecha perfeitamente: um núcleo feito apenas de ferro e níquel seria mais denso do que os dados permitem. Portanto, algum componente mais leve precisava estar misturado.

Elementos leves no núcleo da Terra: mais do que metal

Desde a década de 1960, pesquisadores suspeitam que, além de ferro e níquel, o núcleo também contenha elementos mais leves - como enxofre, silício, oxigênio, carbono e hidrogênio. Hoje, há fortes indícios de que todos eles estejam presentes, ainda que em frações pequenas.

E é justamente essa “pequena fração” que torna o assunto tão difícil. As pistas vêm de medições indiretas, modelos e experimentos de altíssima pressão. O hidrogênio, em particular, é especialmente complicado de quantificar: além de ser o elemento mais leve, tem o menor tamanho atômico. Assim, erros mínimos de medição podem alterar muito a estimativa do seu teor.

Para entender melhor de onde vem esse material leve “faltante”, as equipes têm recorrido a montagens experimentais cada vez mais extremas.

Mini-Terra no laboratório: condições do núcleo com diamante e laser

O grupo responsável por este estudo usou um procedimento sofisticado para reproduzir o ambiente do núcleo da Terra. A configuração parece ficção científica: em células de bigorna de diamante, amostras minúsculas são comprimidas entre duas pontas de diamante extremamente resistentes e aquecidas com lasers, até atingir pressões acima de 100 Gigapascal e temperaturas em torno de 4.800 graus Celsius - valores comparáveis aos do núcleo externo.

Os pesquisadores trabalharam com dois materiais:

• ferro, com composição semelhante à do material que se supõe existir no núcleo
• vidro de silicato hidratado, usado como modelo do antigo oceano de magma da Terra jovem

Sob essas condições extremas, os elementos podem migrar de um material para o outro. É exatamente isso que busca imitar o processo ocorrido durante a formação do planeta, quando o núcleo metálico se separou do manto silicático.

Mapeamento atômico com microscopia de alta tecnologia

Após o “cozimento” no laboratório, os cientistas examinaram o material com uma técnica de alta resolução chamada tomografia por sonda atômica. O método permite reconstruir em 3D onde os átomos estão e medir quanto de cada elemento existe na amostra.

Com isso, foi possível calcular como silício, oxigênio e hidrogênio ficaram distribuídos no material que representava o núcleo.

O resultado: o núcleo da Terra pode conter entre 0,07 e 0,36 por cento em massa de hidrogênio - o suficiente para o equivalente a 9 a 45 oceanos.

Esse valor diz respeito apenas ao hidrogênio aprisionado no núcleo, e não à água presente nos oceanos atuais, nas rochas do manto ou no gelo das regiões polares.

O que o estudo sugere sobre a origem da água da Terra

Há décadas, especialistas discutem a verdadeira origem da água do nosso planeta. Em termos gerais, duas hipóteses dominam o debate:

• a água já fazia parte do material que formou a Terra e foi armazenada em profundidade, desde o início
• a água teria chegado mais tarde, trazida por impactos de cometas e asteroides ricos em água

Os novos dados favorecem fortemente a primeira explicação. Afinal, se uma quantidade relevante de hidrogênio conseguiu entrar no núcleo da Terra na fase inicial, isso indica que a Terra jovem já era rica em substâncias voláteis. Nesse cenário, grande parte da água teria sido incorporada durante a formação do planeta - e não apenas numa “fase úmida” tardia causada por uma chuva de corpos gelados.

Se a hipótese de um bombardeio posterior fosse a principal, seria mais esperado que a maior parte do hidrogênio estivesse concentrada nas regiões externas: crosta, manto e oceanos. O indício robusto de hidrogênio no núcleo combina de forma bem mais coerente com um aporte precoce.

Quão confiáveis são esses números?

Os resultados saíram na revista científica Nature Communications e já alimentam discussões na geociência. Os próprios autores ressaltam que podem existir vieses experimentais. Em um regime tão extremo, pequenas variações de pressão, temperatura ou preparo das amostras são suficientes para produzir diferenças consideráveis.

Ainda assim, o trabalho acrescenta uma peça relevante ao conectar áreas que, muitas vezes, eram tratadas separadamente: física do núcleo, experimentos de alta pressão e modelos para a origem da água da Terra. Agora, outros grupos precisam repetir testes semelhantes, com ajustes metodológicos, para verificar se a estimativa do hidrogênio no núcleo se mantém na mesma ordem de grandeza.

Por que hidrogênio no núcleo é muito mais do que uma curiosidade

A presença de hidrogênio em profundidade não afeta apenas a história da água: ela também altera as propriedades físicas do núcleo. Elementos leves mudam a densidade, o ponto de fusão e o modo como o metal flui. Isso, por sua vez, interfere no geodínamo - o mecanismo que gera o campo magnético terrestre.

Ao modificar as proporções de ferro, níquel e elementos leves, a convecção no núcleo externo pode acelerar ou desacelerar. No fim das contas, isso se relaciona com a estabilidade do campo magnético, que ajuda a proteger a superfície contra radiação solar prejudicial.

A quantidade de hidrogênio e de outros elementos leves no núcleo ajuda a determinar se a Terra mantém um campo magnético estável por longos períodos - uma condição-chave para ambientes de superfície favoráveis à vida.

O que isso pode indicar sobre outros planetas

Os achados também levantam questões sobre os vizinhos do Sistema Solar. Por que a Terra tem oceanos extensos e um campo magnético forte, enquanto Marte e Mercúrio são secos e têm magnetismo fraco? Uma explicação possível é que a composição inicial e a fração de elementos leves no núcleo desses planetas sejam bem diferentes.

Se ficar confirmado que a Terra prendeu grandes quantidades de hidrogênio no interior desde cedo, isso pode ajudar a entender por que ela conseguiu manter água na superfície ao longo do tempo. Planetas sem um “reservatório” interno assim poderiam ter perdido água para o espaço com mais rapidez.

Termos e contexto para leigos

Alguns conceitos técnicos do estudo aparecem cada vez mais em reportagens:

• GPa (Gigapascal): unidade de pressão. 1 GPa corresponde a cerca de 10.000 vezes a pressão atmosférica ao nível do mar.
• Oceano de magma: fase inicial da Terra em que grandes porções do planeta eram compostas por rocha derretida.
• Célula de bigorna de diamante: aparelho que comprime amostras muito pequenas a pressões enormes, aproveitando a extrema dureza do diamante.
• Tomografia por sonda atômica: técnica de microscopia que reconstrói a posição de átomos individuais em um material.

Ferramentas desse tipo estão cada vez mais presentes na ciência planetária. Elas permitem inferir processos que ocorreram há mais de quatro bilhões de anos - eventos impossíveis de observar diretamente.

Para os próximos anos, especialistas esperam experimentos ainda mais precisos, capazes de medir ao mesmo tempo, além do hidrogênio, outros elementos leves. Assim, será possível limitar melhor como enxofre, carbono, oxigênio e hidrogênio interagem no núcleo - e estimar com mais segurança quanto “água escondida” pode existir no interior do planeta.