Experimentos de laboratório sugerem hidrogênio no núcleo da Terra e até 45 oceanos

Novos experimentos de laboratório, projetados para reproduzir as condições brutais do centro do planeta, indicam que o núcleo pode estar carregado de hidrogênio. Se esse hidrogênio algum dia se combinasse com oxigênio, ele poderia representar matéria-prima suficiente para formar até 45 oceanos do tamanho dos da Terra.

Uma pista enterrada sobre a água “perdida” da Terra

Há décadas, geólogos discutem a origem da água terrestre. Um grupo defende que cometas gelados e asteroides ricos em água bombardearam o planeta jovem, trazendo a maior parte do que hoje existe nos oceanos. Outro lado sustenta que a água já estava aqui desde o início, aprisionada nas rochas que deram origem à Terra e liberada aos poucos.

Um estudo novo, apoiado em experimentos de alta pressão, fortalece com vigor a segunda hipótese. Ao simular em laboratório condições semelhantes às do núcleo, os pesquisadores observaram que um ferro parecido com o do núcleo da Terra consegue incorporar quantidades de hidrogênio bem maiores do que se imaginava.

“Mesmo que o hidrogênio represente apenas 0.07–0.36% do núcleo em massa, isso poderia corresponder ao equivalente a 9 a 45 oceanos de água.”

Não se trata de água líquida balançando ao lado de ferro derretido. O que existe são átomos de hidrogênio presos em ligas metálicas a mais de 2,900 quilômetros abaixo da superfície. Ainda assim, a implicação é grande: a Terra primitiva pode ter sido muito mais “úmida” do que sugerem cenários em que a água teria chegado apenas depois.

De sussurros sísmicos a um núcleo complexo

A compreensão do núcleo começou há cerca de um século, com a sismologia. Ao acompanhar como as ondas de terremotos atravessavam o planeta, cientistas perceberam que a Terra é estratificada. Em 1936, a sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann demonstrou que há um núcleo interno sólido dentro de um núcleo externo líquido.

Com base nas velocidades dessas ondas, foi possível estimar densidades. Os valores apontavam para um núcleo composto majoritariamente por ferro e níquel - uma visão reforçada por meteoritos metálicos, remanescentes do início do Sistema Solar.

Mas havia um problema: o núcleo parecia leve demais para ser apenas ferro-níquel. A conclusão inevitável era que outros elementos mais leves estariam dissolvidos nele.

Elementos leves em um coração pesado

Já na década de 1960, a hipótese de elementos leves no núcleo ganhou força. Só que apenas nas duas últimas décadas as técnicas laboratoriais ficaram precisas o suficiente para simular, de modo realista, condições do núcleo: pressões acima de 100 gigapascals e temperaturas de vários milhares de graus Celsius.

Atualmente, a maioria dos pesquisadores concorda que o núcleo provavelmente abriga diversos elementos leves:

• enxofre
• silício
• oxigênio
• carbono
• hidrogênio

A incerteza está nas proporções de cada um. O hidrogênio é particularmente difícil de quantificar: por ser o menor e mais leve dos átomos, ele deixa um sinal fraco nas medições. Assim, o que sabemos vem de forma indireta, por meio de simulações, experimentos e modelagens sísmicas.

Recriando o núcleo com diamantes e lasers

Para esclarecer o papel do hidrogênio, a equipe recorreu a um equipamento especializado chamado célula de bigorna de diamante. Duas pontas de diamante comprimem amostras minúsculas até pressões gigantescas, enquanto lasers as aquecem a milhares de graus.

Os cientistas colocaram em contato dois materiais:

• uma liga de ferro que se aproxima da composição do núcleo da Terra
• um vidro de silicato hidratado, usado como análogo do antigo oceano de magma que teria recoberto o planeta jovem

O ensaio foi conduzido a aproximadamente 111 GPa e cerca de 4,800 °C, em condições semelhantes às do núcleo externo. Nesse ambiente extremo, elementos conseguem migrar entre o silicato fundido e o metal, como teria acontecido durante a formação da Terra.

Após o resfriamento, as amostras foram escaneadas em três dimensões, na escala de nanômetros, com tomografia por sonda atômica. Essa técnica de alta resolução permitiu contabilizar átomos individuais de silício, oxigênio e hidrogênio dentro da fase metálica.

“As medições sugerem que o núcleo da Terra poderia armazenar mais hidrogênio do que muitos modelos anteriores permitiam, comprimido em uma ‘gaiola’ metálica nas profundezas abaixo do manto.”

Parâmetro	Valor estimado
Teor de hidrogênio no núcleo (em massa)	0.07–0.36%
Volume de água equivalente	9–45 oceanos modernos
Pressão experimental	~111 GPa
Temperatura experimental	~4,800 °C

O que isso indica sobre a origem da água da Terra

Onde o hidrogênio fica concentrado é uma peça-chave. Se a maior parte da água terrestre tivesse chegado tarde, trazida por cometas depois que o núcleo já estava formado, o hidrogênio deveria aparecer principalmente nas camadas externas: crosta, oceanos e atmosfera.

Os resultados novos apontam para outra direção. O hidrogênio parece conseguir se repartir (particionar) para o metal que compõe o núcleo, o que sugere que os blocos de construção da Terra já carregavam uma quantidade significativa de hidrogênio quando o planeta ainda estava em estado fundido.

“Hidrogênio preso no núcleo aponta para uma origem ‘úmida’ da Terra, com materiais portadores de água presentes desde o começo da montagem do planeta.”

Isso favorece um cenário em que a Terra se formou a partir de rochas já hidratadas no início do Sistema Solar, em vez de ter sido um corpo seco que só mais tarde recebeu gelo “por cima”. Impactos de cometas ainda podem ter contribuído, mas provavelmente não trouxeram a maior parte da nossa água.

Incertezas e a necessidade de mais evidências

Os autores do trabalho, publicado na Nature Communications, enfatizam que as estimativas ainda são provisórias. Desvios experimentais mínimos podem alterar bastante os números de hidrogênio inferidos.

Além disso, as condições do núcleo mudam com a profundidade, e a Terra primitiva passou por fases violentas de aquecimento, mistura e impactos gigantes. Não há como reproduzir toda essa história em laboratório. Por isso, outras equipes precisarão repetir e contestar os resultados usando técnicas diferentes, outras composições e trajetórias alternativas de pressão–temperatura.

A sismologia também entra nessa verificação. À medida que melhorarem os modelos de propagação de ondas sísmicas em ligas com hidrogênio, será possível testar se um núcleo rico em hidrogênio explica melhor os dados reais de terremotos do que versões com pouco hidrogênio.

Por que hidrogênio no núcleo importa para a vida na superfície

Para além da narrativa sobre a origem dos oceanos, o hidrogênio no núcleo pode influenciar o comportamento atual do planeta. A mistura exata de elementos leves altera densidade, temperatura de fusão e a facilidade com que o núcleo externo líquido entra em convecção.

Essa convecção alimenta o geodínamo, processo que gera o campo magnético da Terra. O campo magnético protege a atmosfera de partículas carregadas vindas do Sol e ajuda a reduzir a perda de água para o espaço. Uma pequena mudança na “receita” do núcleo pode se propagar e afetar clima e habitabilidade ao longo do tempo.

Como o hidrogênio reduz a densidade da liga do núcleo, ele pode modificar de leve o fluxo de calor que sai do interior profundo. Isso, por sua vez, influencia a circulação do manto, a dinâmica das placas tectônicas e a liberação de gases por vulcões - incluindo vapor d’água e dióxido de carbono.

Conceitos-chave por trás da ciência

Alguns termos técnicos são centrais para entender o estudo. Uma explicação rápida ajuda a acompanhar os argumentos.

• Célula de bigorna de diamante: dispositivo que comprime amostras minúsculas entre dois diamantes para atingir pressões semelhantes às do interior de planetas.
• Tomografia por sonda atômica: método em que átomos são removidos com cuidado de uma amostra em forma de agulha e detectados um a um, formando um mapa químico 3D.
• Oceano de magma: etapa inicial da história da Terra em que grande parte das camadas externas estava fundida, permitindo que metais afundassem e formassem o núcleo.
• Particionamento: maneira como elementos se distribuem entre materiais diferentes, por exemplo, entre rocha fundida e metal líquido.

Compreender como o hidrogênio se particiona entre metal e silicato em condições extremas dá aos pesquisadores um caminho para estimar quanto poderia ter ido para o núcleo, em contraste com o que permaneceu no manto e na superfície.

O que isso significa para outros mundos

Um núcleo rico em hidrogênio também muda a conversa fora da Terra. Planetas como Vênus e Marte provavelmente tiveram seus próprios oceanos de magma e episódios de formação do núcleo. Se processos semelhantes ocorreram neles, o armazenamento de hidrogênio no interior pode ajudar a explicar por que suas superfícies acabaram tão diferentes da nossa.

No caso de exoplanetas rochosos ao redor de outras estrelas, o quanto de água fica trancado no interior - ou é liberado para a superfície - pode determinar se o planeta permanece seco, vira um mundo oceânico ou desenvolve condições compatíveis com vida. Modelos futuros de habitabilidade terão de considerar não só oceanos superficiais, mas também esses reservatórios profundos e ocultos de hidrogênio sob pressão esmagadora.

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