O Enigmático Núcleo da Terra

por PGAPereira. A bola de ferro sólida no centro do nosso planeta ajuda na energia do campo magnético da Terra e pode gravar um bilhão de anos de atividade geológica no interior profundo. Se pudéssemos viajar até ao centro da Terra, gostaríamos de deixar para trás a casca exterior rochosa e entrar no núcleo de ferro líquido da metade para baixo. Depois de percorridos 80% da distância ao centro, o núcleo de ferro líquido se transformaria em forma de sólido, devido à influência da pressão de esmagamento, mesmo que a temperatura seja comparável à temperatura da superfície do Sol. Cruzando a região sólida nos leva ao núcleo mais interno da Terra. A Figura 1 ilustra as principais subcamadas que constituem o planeta. Figura 1. A seção transversal do interior da Terra revela um escudo exterior rochoso (manto) e um núcleo metálico. O núcleo é composto principalmente de ferro, apesar de conter impurezas em menor escala, o que acarreta uma densidade inferior do ferro puro. A solidificação progressiva do núcleo externo líquido produz um núcleo sólido. A densidade do núcleo interior é mais consistente com o ferro puro, o qual implica uma concentração mais baixa de impurezas que estão no líquido circundante. Apesar do seu tamanho reduzido, 1% da Terra, o volume com um raio da largura do Texas, o núcleo interior tem um papel surpreendentemente grande na dinâmica do nosso planeta Terra. Seu arrefecimento gradual faz com que o núcleo interno cresça cerca de 1 mm/ano por solidificação do líquido que o rodeia. A liberação de calor latente e a exclusão de impurezas no ferro líquido produzem fluido flutuante que mexe com o núcleo externo e o campo magnético da Terra. De fato, mais da metade da potência atualmente necessária para gerar o campo magnético é provavelmente derivada do crescimento do núcleo interior. (1) A propagação das ondas sísmicas através dele ilumina o planeta Terra, e sua estrutura interna é vista como raios-X iluminando as características do corpo em imagiologia médica: As diferenças nas propriedades físicas alteram as ondas. A absorção, dispersão, e transmissão permitem que a estrutura seja reconstruída a partir das observações da superfície. Um conjunto crescente de observações revela uma complexidade inesperada no núcleo interior. Evidências de variações de velocidade laterais de ondas sísmicas e a atenuação são inconsistentes com as expectativas de crescimento radiais simples e lentas de um líquido bem misturado. Mais enigmática é a evidência de anisotropia elástica, o que faz com que as ondas sísmicas viagem vários dígitos por cento mais rápidas ao longo de caminhos polares do que sob caminhos equatoriais. Não há consenso sobre a origem da anisotropia elástica ou a maioria das outras estruturas, mas os investigadores suspeitam que a complexidade seja um registro da dinâmica do passado. Entender como ler esse registro oferece uma oportunidade de ganhar novos conhecimentos sobre a história do nosso planeta, mas também pode revelar as razões pelas quais a Terra evoluiu de forma tão diferente de seus vizinhos planetários mais próximos.

Descobertas e surpresas - Em 1936 o sismologo Inge Lehmann propôs a existência de um núcleo interno, com base na reflexão de ondas sísmicas da sua superfície. (2) A prova de que o núcleo interno é realmente sólido teria que esperar 35 anos até que medidas de modos normais elásticas da Terra confirmaram a necessidade de rigidez finita no centro do planeta. (3) Essa observação apoiou a visão predominante de que a forma do núcleo interno sólido cresce para fora quando a Terra esfria. A modelagem térmica sugere que o diâmetro do núcleo interno cresceu 8cm desde a época de sua descoberta, muito pequeno para detectar uma mudança nas observações sísmicas de ondas. A maioria dos estudos modernos confia nos diferenciais de medidas em tempo de viagem, que comparam os tempos de propagação de ondas que passam através dele e acima do núcleo interno. A seleção cuidadosa de locais de receptores sísmicos estabelece caminhos de propagação que são praticamente coincidentes com muito do interior da Terra, de modo que as anomalias no diferencial no tempo de viagem podem ser atribuídas principalmente à propagação através do núcleo interno, conforme descrito na figura 2. Em meados da década de 1980 começaram a aparecer evidência para a anisotropia elástica no núcleo interno, (4) suporte independente para o que veio também a partir de observações sísmicas de modos normais, que representam as vibrações elásticas de todo o planeta. Figura 2. As ondas sísmicas iluminam a estrutura interna da Terra. Ondas de compressão que viajam de um local (designado pela estrela) - normalmente uma PKP de terremotos através do manto (verde) e do núcleo para outro local na superfície são muitas vezes denotadas. Diferentes caminhos através do núcleo são possíveis. (A) Os conjuntos de caminhos AB (em vermelho) e BC (em azul), que diferem no grau de refração que experimentam na fronteira manto-núcleo, viajam inteiramente através do núcleo líquido (amarelo pálido). (B) caminhos DF (em roxo), em contraste, viajam através do núcleo interior (laranja). As diferenças de tempo de percursos entre os caminhos BC e DF são principalmente devido à propagação através do núcleo interior e assim, podem ser utilizadas para distinguir os aspectos da sua estrutura. A descoberta inesperada da anisotropia elástica iniciou uma onda de atividade. Como os estudos subsequentes forneceram uma cobertura mais completa do núcleo interior, a complexidade necessária para explicar as observações aumentou de forma constante. Várias características consistentes surgiram, incluindo as diferenças hemisféricas na força de anisotropia: (5) a anisotropia forte é necessária no hemisfério ocidental para explicar grandes anomalias no tempo de viagem, enquanto a anisotropia fraca é suficiente para explicar o comportamento de ondas que passam pelo hemisfério oriental. Há pouca evidência de anisotropia no topo, 100 km do núcleo interno, mas o apoio está crescendo para uma anisotropia nitidamente orientada no centro do núcleo interno. Limitadas observações sugerem que a direção lenta está inclinada de 45° em relação ao plano equatorial. (6) Outra surpresa foi a descoberta, em meados dos anos 1990, de anisotropia na atenuação das ondas sísmicas. (7) Atenuação de intensidade superior das ondas no núcleo interior é muitas vezes associada com velocidades de propagação mais rápida. Esse comportamento é oposto aos efeitos dispersivos habituais em sólidos elásticos imperfeitos. Dispersão de ondas sísmicas é uma explicação provável, possivelmente devido às regiões de cristais de ferro orientados distintamente no núcleo interior. Explicando a anisotropia em larga escala na atenuação exige dispersões que são aesféricas e preferencialmente alinhadas. Curiosamente, uma forte correlação entre a velocidade de onda de atenuação é também encontrada em regiões, como por exemplo, a parte superior de 100 km, que carecem de forte anisotropia elástica. Por exemplo, a velocidade da onda nos primeiros 100 km parece ser quase isotrópica, mas as áreas geográficas com alta atenuação tendem a corresponder às velocidades do que a média mais alta da onda. Uma sugestão é que as variações no tamanho dos cristais de ferro no topo de 100 km do núcleo interno poderiam explicar tanto a atenuação como a velocidade. (8) Os tamanhos dos cristais variam de dezenas de metros até dezenas de quilômetros e podem ser suficientes para explicar as observações, mas esses cristais precisam ser orientados ao acaso, na parte superior dos 100 km do núcleo interior para garantir a velocidade em que a região específica permanece quase isotrópica.

Modelos termais – O crescimento do núcleo interno não pode ser detectado em observações, mas pode ser previsto utilizando modelos para a evolução térmica do núcleo. O arrefecimento é conduzido por condução do calor na base do reservatório rochoso que circunda o núcleo. Esse reservatório, conhecido como o manto, é mais maciço do que o núcleo e tem uma eficaz viscosidade elevada, a qual acomoda a lenta convecção térmica com velocidades na ordem de 0,1 m/ano. Comparativamente os fluxos rápidos na ordem de 10 4/ano podem ser conduzidos no núcleo líquido de baixa viscosidade por anomalias de temperatura de apenas poucos millikelvin. (9) Em última análise, a convecção no manto regula o resfriamento do núcleo e define o ritmo de crescimento do núcleo interior. As temperaturas no núcleo eram provavelmente suficientemente elevadas no passado distante para garantir que todo o núcleo fosse líquido. O resfriamento gradual eventualmente forçou ​​a temperatura no centro da Terra a cair suficientemente baixa para formar um núcleo interno. A solidificação começa no centro por causa da dependência da pressão da curva de fusão do ferro, mostrada no quadro. A intersecção de uma curva de fusão acentuada com a temperatura do núcleo, muitas vezes aproximadas, assumindo um fluido bem misturado com a entropia constante, define o raio do núcleo interno. O tamanho atual do núcleo interno reflete a quantidade total de calor, que foi removido do núcleo como um todo, uma vez que o núcleo interno começou a crescer. Durante esse tempo, o topo do núcleo foi arrefecido a cerca de 60K. A taxa de crescimento do núcleo interno é definida pela média de fluxo de calor na base do manto. A unidade de arrefecimento de solidificação, libertação de calor latente, reduz a variação resultante na temperatura. Além disso, as impurezas no núcleo de ferro líquido são excluídas na solidificação do núcleo interno, a julgar pelas estimativas sísmicas de mudança de densidade no limite do núcleo interno. Essas impurezas produzem fluido dinâmico que ajuda a agitar o núcleo líquido. O resultado é uma separação de impurezas no núcleo líquido e uma diminuição na energia potencial gravitacional da Terra. Quase toda a energia acaba no núcleo na forma de calor, o que também tampona a mudança na temperatura. A composição da evolução do núcleo interno pode ainda diminuir a taxa de solidificação para um fluxo de calor prescrito. Os modelos para o crescimento do núcleo interior são dificultados pelas incertezas substanciais em muitas das propriedades físicas relevantes, mas os modelos mais recentes sugerem que o núcleo interno cresceu para o seu tamanho atual em um bilhão de anos ou menos. (1) Antes, a convecção no núcleo teria sido impulsionada principalmente pelo frio, afundando o fluido denso a partir da fronteira manto-núcleo quando o núcleo se resfriou.

Dinâmica - Observações geológicas de magnetização em rochas antigas demonstram que a Terra possui um campo magnético, pelo menos nos últimos 3,2 bilhões de anos. (10) A persistência do campo magnético implica que o núcleo líquido foi convectivamente agitado durante a maior parte da história da Terra. Uma vez que o núcleo foi formado, o seu crescimento introduziu novos processos físicos, registros desses processos estão impressos na esfera crescente. Graças à baixa viscosidade do ferro líquido, o núcleo interior pode girar relativamente no manto. Modelos numéricos iniciais de convecção e geração de campo (9) no núcleo líquido previram taxas de rotação do núcleo interior de cerca de um grau por ano. Nestes modelos, o fluxo leste na base do núcleo líquido transportou o núcleo interno na mesma direção, em média. Uma busca subsequente para a rotação pelos sismólogos revelou uma intrigante mudança no tempo de viagem para as ondas que se propagam através do núcleo interior. (11) As ondas que viajam dos terremotos locais próximos a receptores fixos na passagem de superfície por meio de diferentes partes do núcleo interno gira com o tempo. As estimativas iniciais para a mudança no tempo de viagem foram interpretadas como de rotação do núcleo interno para leste, apesar de vários estudos posteriores terem desafiado a existência de qualquer rotação. (7) A rotação do núcleo interno é plausível por motivos físicos, mas sua detecção em observações sísmicas permanece controversa. Outro tipo de movimento é causado pela convecção térmica dentro do núcleo interno. Na ausência de fontes de calor substanciais, a convecção é esperada quando o crescimento rápido do núcleo interno deixa muito pouco tempo para a condução do arrefecimento. Nesse caso, o material flutuante quente se desenvolve abaixo do material denso mais frio. Essa estratificação de densidade é instável ao anular a convectiva por rastejamento de fluxo, embora o núcleo interior seja sólido. Em contraste, o lento crescimento do núcleo interior permite conduzir o tempo de arrefecimento, que por sua vez permite que o material no centro do núcleo interior se torne frio e denso. E, nesse cenário, a estratificação da densidade é estável e a convecção não ocorrerá. As estimativas atuais sugerem que o núcleo interno fique perto da transição entre a estratificação estável e instável. Alterar o valor de condutividade térmica dentro das atuais incertezas é suficiente para alternar entre estados de convecção e de não-convecção. Mesmo que o núcleo interno fosse convectivamente instável nas primeiras vezes, um número de fatores podem, posteriormente, suprimir a convecção. A liberação de calor latente e segregação química tornam-se mais importante no balanço de calor do núcleo quando o núcleo interno cresce de tamanho. Como resultado, a taxa de crescimento diminui com o tempo, inevitavelmente, e podem, eventualmente inclinar o balanço a favor de uma estratificação térmica estável. Além disso, um aumento da concentração de impurezas no núcleo líquido pode dirigir níveis ligeiramente mais elevados de impurezas no sólido durante o crescimento subsequente. Um estábulo, a estratificação química pode desenvolver-se ao longo do tempo, em particular quando o núcleo interior tornar-se grande, embora os pormenores depende de como as impurezas partilharão entre as fases líquida e sólida a altas pressões e temperaturas. Há muita incerteza, até mesmo a identidade das impurezas não está firmemente estabelecida. Uma forma surpreendente de convecção térmica é permitida pela presença de uma fase de transição, no limite interior do núcleo. (12) A forma usual de convecção com uma circulação fechada de movimentos subir e afundar é substituída por uma tradução quase de corpo rígido. Derretendo-se em um hemisfério e se solidificando no outro fecha a circulação convectiva. São necessárias duas condições para a condução de translação ocorrer. Em primeiro lugar, o núcleo tem de ser por convecção instável, em segundo lugar, a sua viscosidade deve ser suficientemente elevada para assegurar que a sua forma mude, principalmente por meio da fusão e solidificação, em vez de por fluxo viscoso. A transição de corpo rígido está fortemente acoplada a convecção no núcleo líquido, porque a fusão e a solidificação dependem do calor e do transporte de material acima da superfície do núcleo interior. Parametrizações simples de transporte turbulento tem sido até agora utilizada para descrever a resposta do núcleo líquido (12), mas complicações podem surgir a partir de uma combinação de geometria, da rotação rápida do planetário, e na presença de um campo magnético. Surpresas estão à espera de ser descobertas como melhores modelos de convecção são desenvolvidos conjuntamente. A discussão anterior deve dissipar a noção de que o núcleo interior é estático, em vez disso, é arrastado pela convecção em torno do núcleo líquido e pode ser submetido a sua própria convecção interna. Mesmo que o núcleo interno não seja convectivamente instável, ainda está sujeito a muitas outras formas de deformação. Por exemplo, as correntes elétricas podem produzir aquecimento heterogêneo. (13) O aquecimento não é suficiente para conduzir a desmontagem da convectiva, mas pode produzir variações de temperatura laterais, o que induz a um fluxo rastejando-se. Além disso, o núcleo interior está previsto se solidificar preferencialmente na região equatorial devido à natureza de transporte do calor, em que o líquido se sobrepõe. Se o fluxo de material viscoso é o principal meio de relaxantes topografias fronteiras, um fluxo de grande escala pode desenvolver-se no interior. (14) O fluxo pode também ser conduzido por tensões magnéticas no núcleo interno, (15), possivelmente relacionada com a rotação interna do núcleo. Dada a multiplicidade de processos físicos que podem causar deformação, é razoável questionar se qualquer um desses processos pode também explicar a estrutura sísmica observada do núcleo interno.

Estrutura interna do núcleo – A anisotropia elástica no núcleo interno, ilustrada na figura 3, é um dos mistérios mais antigos e mais duradouros que emergem a partir das observações sísmicas. A presença de anisotropia elástica é geralmente atribuída ao alinhamento preferencial da estrutura de cristal, embora outras características estruturais, como bolsões orientados de estratificação química derretem e em grande escala, também pode dar origem a anisotropia. Um alinhamento preferencial de cristais, muitas vezes referido como a textura, pode ser determinado no momento da solidificação, ou pode desenvolver-se como um resultado da deformação subsequente. Figura 3. A anisotropia elástica no núcleo interno de compressão faz com que as ondas sísmicas viagem mais rápidas na direção polar. A magnitude da anisotropia, designada pelo comprimento das hastes castanhas nesse sentido, varia no núcleo interior. A anisotropia é mais forte no hemisfério ocidental (longitude 270°) e é muito mais fraca no hemisfério oriental (longitude 90°), a linha tracejada verde representa o equador. A região mais interna (em vermelho) do núcleo interno também é anisótropa, mas com uma orientação (não mostrada) que deve ser inclinada em relação aos pólos. Experimentos de laboratório sugerem que a orientação de gradientes de temperatura durante a solidificação pode estabelecer uma textura inicial. (16) Os modelos numéricos e de convecção de geração de campo magnético têm mostrado que os gradientes de temperatura no limite do núcleo interior são essencialmente radiais, embora as magnitudes de tais gradientes possam variar com a latitude. Expectativas para cristais alinharem-se na direção radial são consistentes com a ausência de uma forte anisotropia no topo de 100 km do núcleo interno, porque uma estrutura radial é invariante sob rotação e não deve produzir velocidades de onda em direções polares. A deformação subsequente do material com uma textura inicial de solidificação pode produzir anisotropia observada, mas que a deformação deve ser influenciada de alguma forma pela rotação, porque são improváveis os caminhos rápidos para se alinhar com a direção do eixo de rotação por acaso. A deformação necessária pode ocorrer numa variedade de maneiras. Por exemplo, a convecção térmica no núcleo interno pode alinhar-se com o eixo de rotação, mas apenas quando o vigor da convecção é relativamente fraco. Alternativamente, o crescimento preferencial do núcleo interno no equador pode produzir fluxo com uma orientação polar, enquanto que a viscosidade do núcleo central não seja muito alta. Também é possível as correntes elétricas e magnéticas possuírem tensões na simetria correta porque essas características são associadas com os processos no núcleo líquido que são fortemente afetadas pela influência da rotação. Um segundo e mais sério desafio é explicar a presença de variações na anisotropia elástica nos hemisférios. Correntes elétricas, magnéticas, e tensões de fluxo de calor local devem ser heterogêneas sobre toda a superfície do núcleo interior, mas é menos evidente porque a heterogeneidade seria espacialmente persistente durante um tempo suficiente para estabelecer uma textura de deformação proeminente. Um fluxo representativo em larga escala de alguns centímetros por ano iria produzir taxas de deformação da ordem de 10 -15s  e exigiria cerca de 107 anos para forçar e acumular o suficiente para ter consequências observáveis. Se o núcleo interior está livre para girar, que se poderia esperar da significativa estrutura média de longitude, o que tenderia a eliminar diferenças hemisféricas. Como alternativa, o núcleo interno pode ser bloqueado no local por forças gravitacionais associadas a anomalias de massa no manto, apesar da deformação viscosa (ou de fusão e solidificação) e pode permitir que o núcleo interno escape das garras da gravidade. (17) A convecção translacional é frequentemente sugerida como uma possível explicação para as diferenças hemisféricas, (12) particularmente as variações nas velocidades hemisféricas isotrópicas na parte superior dos 100 km do núcleo interior. (7) No entanto, estender a idéia para explicar as variações de anisotropia apresenta vários desafios não resolvidos. Em primeiro lugar, a transição provoca pouca deformação, de modo que qualquer textura de solidificação inicial na superfície do núcleo interior seria simplesmente arrastada pelo movimento do corpo quase rígido. Não está claro como a anisotropia forte iria se desenvolver em um hemisfério e desaparecer no outro, sem qualquer deformação adicional. Em segundo lugar, a transição não pode explicar a anisotropia orientada distintamente na parte central do núcleo interior (região em vermelho na Figura 3). Não existe atualmente nenhuma explicação simples que represente toda a complexidade das observações sísmicas.

Obtenção de perspectivas - As observações sísmicas são, em uma palavra, de confusão.

As expectativas simples para o lento crescimento do núcleo interno de um líquido bem misturado estão completamente em desacordo com a evidência clara da complexidade estrutural. Propostas não faltam para explicar um aspecto ou outro, mas nenhuma atualmente fornece uma compreensão abrangente. A atenção dada ao núcleo interno pode ser surpreendente para alguns, dada a sua pequena dimensão, mas há poucos registros de dinâmicas passadas no núcleo da Terra. Flutuações e reversões no campo magnético da Terra são registradas em rochas na superfície, mas a inferência da dinâmica interna é indireta, pois o dipolo magnético na superfície representa apenas uma pequena facção do campo no interior do núcleo. Se o núcleo interno é uma relíquia golpeada de 1 bilhão de anos de evolução, então muito pode ser aprendido a partir de sua estrutura sísmica. Em muitos aspectos, o núcleo interno é análogo a um afloramento de rocha para um geólogo. Contos longos e elaborados têm sido contados a partir de um pequeno pedaço de rocha, e o mesmo pode ser verdade para a bola de ferro sólida no centro da Terra.

Um papel descomunal para o núcleo interno – A convecção vigorosa no núcleo líquido da Terra regenera continuamente o campo magnético do planeta. Uma importante fonte de flutuabilidade para dirigir o movimento do fluido vem do crescimento do núcleo interno. A convectiva homogeneíza a mistura, tanto a composição como a entropia do fluido, assim que a temperatura do núcleo, aqui representada (em azul), como função do raio, é bem aproximada pela condição de entropia constante. Por comparação, a temperatura de fusão do ferro (em vermelho) deverá ter uma forte dependência da pressão. O ponto de intersecção das curvas de temperatura de fusão do núcleo e a temperatura definem o raio do núcleo interior, o qual tem atualmente 1.221 km, cerca de 20% do raio da Terra. Na profundidade, a temperatura de fusão é estimada ser de 5.500 K. Como o núcleo arrefece, o ponto de intersecção desloca-se para o raio maior e o núcleo interior cresce por solidificação.

Figura 1. A seção transversal do interior da Terra revela um escudo exterior rochoso (manto) e um núcleo metálico. O núcleo é composto principalmente de ferro, apesar de impurezas em menor quantidade levarem a densidade para baixo do ferro puro. A solidificação progressiva do núcleo externo líquido produz um núcleo sólido. A densidade do núcleo interior é mais consistente com o ferro puro, o qual implica uma concentração mais baixa de impurezas que estão no líquido circundante.

Figura 2. As ondas sísmicas iluminam a estrutura interna da Terra. Ondas de compressão que viajam de um local (designado por estrela) - normalmente um de terremoto PKP através do manto (em verde) e o núcleo para outro local na superfície são muitas vezes denotados. Diferentes caminhos através do núcleo são possíveis. (A) Os conjuntos de caminhos AB (em vermelho) e BC (em azul), que diferem no grau de refração que experimentam na fronteira manto-núcleo viajam inteiramente através do núcleo líquido (em amarelo pálido). (B) Os caminhos DF (em roxo), em contraste, viajam bem através do núcleo interior (em laranja). As diferenças de tempo de percursos entre os caminhos BC e DF são principalmente devido à propagação através do núcleo interior e assim, podem ser utilizadas para distinguir os aspectos da sua estrutura.

Figura 3. A anisotropia elástica de compressão no núcleo interno faz com que as ondas sísmicas viagem mais rápidas na direção polar. A magnitude da anisotropia, designada pelo comprimento das hastes castanhas nesse sentido, varia no núcleo interior. A anisotropia é mais forte no hemisfério ocidental (longitude 270°) e é muito mais fraca no hemisfério oriental (longitude 90°), a linha tracejada verde representa o equador. A região mais interna (em vermelho) do núcleo interno também é anisótropa, mas com uma orientação (não mostrada) que deve ser inclinada em relação aos pólos.