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terça-feira, 14 de agosto de 2012

Abrindo a Terra

14/08/2012
Por Carlos Fioravanti
Revista Pesquisa FAPESP – Chegar à Lua, a quase 400 mil quilômetros de distância, ou mandar satélites para conhecer outros planetas pode parecer mais fácil do que conhecer a composição e o funcionamento do interior da Terra, uma esfera quase perfeita com 12 mil quilômetros (km) de diâmetro.
Os furos de sondagem chegaram a apenas 12 km de profundidade, mal vencendo a crosta, a camada mais superficial. Como não podem examinar diretamente o interior do planeta, os cientistas estão se valendo de simulações em computador para entender como se forma e se transforma a massa sólida de minerais das camadas mais profundas do interior do planeta quando submetida a pressões e temperaturas centenas de vezes mais altas que as da superfície.


Físicos detalham as estruturas e as transformações de minerais em regiões profundas do interior do planeta (ilust.:Drüm

Como resultado, estão identificando minerais que se formam a milhares de quilômetros da superfície e reconhecendo a possibilidade de existir um volume de água superior a um oceano disperso na espessa massa de rochas sob nossos pés.

A física brasileira RenataWentzcovitch, pesquisadora da Universidade de Minnesota, Estados Unidos, é responsável por descobertas fundamentais sobre o interior do planeta empregando, justamente, técnicas matemáticas e computacionais que desenvolve desde 1990.

Em 1993, ela elucidou a estrutura atômica da perovskita a altas pressões; a perovskita é o mineral mais abundante no manto inferior, a camada mais ampla do interior do planeta, com uma espessura de 2.200 km, bem menos conhecida que as camadas mais externas.
Em 2004 Renata, com sua equipe, identificou a pós-perovskita, mineral que resulta da transformação da perovskita submetida a pressões e temperaturas centenas de vezes mais altas que as da superfície, como nas regiões mais profundas do manto.
Os resultados ajudaram a explicar as velocidades das ondas sísmicas, geradas pelos terremotos, que variam de acordo com as propriedades dos materiais que atravessam e representam um dos meios mais utilizados para entender a composição do interior da Terra.

Agora novos estudos de Renata indicaram que a pós-perovskita tende a se dissociar em óxidos elementares, como óxido de magnésio e óxido de silício, à medida que a pressão e a temperatura aumentam ainda mais, como no interior dos planetas gigantes, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.

“Estamos com a faca e o queijo na mão para descobrir a constituição e as diferenças de composição do interior de planetas”, diz. Segundo ela, as técnicas que desenvolveu podem prever o comportamento de estruturas cristalinas complexas, formadas por mais de 150 átomos. “Ao longo do manto terrestre, as estruturas cristalinas dos minerais são diferentes, mas a composição química das camadas do interior da Terra parece ser uniforme.”

O texto completo da reportagem está na edição 198 da revista Pesquisa FAPESP,
em: http://revistapesquisa.fapesp.br/?p=15372

Abrindo a Terra

Físicos detalham as estruturas e as transformações de minerais em regiões profundas do interior do planeta
CARLOS FIORAVANTI | Edição 198 - Agosto de 2012
© DRüM
Chegar à Lua, a quase 400 mil quilômetros de distância, ou mandar satélites para conhecer outros planetas pode parecer mais fácil do que conhecer a composição e o funcionamento do interior da Terra, uma esfera quase perfeita com 12 mil quilômetros (km) de diâmetro. Os furos de sondagem chegaram a apenas 12 km de profundidade, mal vencendo a crosta, a camada mais superficial. Como não podem examinar diretamente o interior do planeta, os cientistas estão se valendo de simulações em computador para entender como se forma e se transforma a massa sólida de minerais das camadas mais profundas do interior do planeta quando submetida a pressões e temperaturas centenas de vezes mais altas que as da superfície. Como resultado, estão identificando minerais que se formam a milhares de quilômetros da superfície e reconhecendo a possibilidade de existir um volume de água superior a um oceano disperso na espessa massa de rochas sob nossos pés. A física brasileira RenataWentzcovitch, pesquisadora da Universidade de Minnesota, Estados Unidos, é responsável por descobertas fundamentais sobre o interior do planeta empregando, justamente, técnicas matemáticas e computacionais que desenvolve desde 1990. Em 1993, ela elucidou a estrutura atômica da perovskita a altas pressões; a perovskita é o mineral mais abundante no manto inferior, a camada mais ampla do interior do planeta, com uma espessura de 2.200 km, bem menos conhecida que as camadas mais externas (ver infográfico a seguir sobre as camadas do interior da Terra).
Em 2004 Renata, com sua equipe, identificou a pós-perovskita, mineral que resulta da transformação da perovskita submetida a pressões e temperaturas centenas de vezes mais altas que as da superfície, como nas regiões mais profundas do manto. Os resultados ajudaram a explicar as velocidades das ondas sísmicas, geradas pelos terremotos, que variam de acordo com as propriedades dos materiais que atravessam e representam um dos meios mais utilizados para entender a composição do interior da Terra. Agora novos estudos de Renata indicaram que a pós-perovskita tende a se dissociar em óxidos elementares, como óxido de magnésio e óxido de silício, à medida que a pressão e a temperatura aumentam ainda mais, como no interior dos planetas gigantes, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.
“Estamos com a faca e o queijo na mão para descobrir a constituição e as diferenças de composição do interior de planetas”, diz. Segundo ela, as técnicas que desenvolveu podem prever o comportamento de estruturas cristalinas complexas, formadas por mais de 150 átomos. “Ao longo do manto terrestre, as estruturas cristalinas dos minerais são diferentes, mas a composição química das camadas do interior da Terra parece ser uniforme.”
Por meio de trabalhos como os de seu grupo agora se começa a ver melhor como os minerais do interior da Terra tendem a perder elasticidade e se tornarem mais densos quando submetidos a alta pressão e temperatura, que aumentam com a profundidade. Em razão do aumento da pressão é que se acredita que a densidade do centro da Terra – formado por uma massa sólida de ferro a temperatura próxima a 6.000 graus Celsius (ºC) – seja de quase 13 gramas por centímetro cúbico, quatro vezes maior que a da superfície, indicando que em um mesmo volume cabem quatro vezes mais átomos. Sem direito à ficção e apegados a métodos rigorosos como a análise dos resultados de cálculos teóricos, de experimentos em laboratório, de levantamentos geológicos e da velocidade das ondas sísmicas, físicos, geofísicos, geólogos e geoquímicos estão abrindo o planeta e ampliando o conhecimento sobre as regiões de massa rochosa compacta abaixo do limite de 600 km, que marca uma região mais densa do manto, a chamada zona de transição, a partir da qual se conhecia muito pouco. Os especialistas acreditam que poderão entender melhor – e talvez um dia prever – os terremotos e os tsunamis, além de identificar jazidas minerais mais facilmente do que hoje, se conseguirem detalhar a composição e os fenômenos das regiões inacessíveis do interior do planeta.

Oceanos submersos

Mesmo das camadas mais externas estão emergindo novidades, que desfazem a antiga imagem do interior do planeta como uma sequência de camadas regulares como as de uma cebola. Em 2003, por meio de levantamentos mundiais detalhados, pesquisadores dos Estados Unidos começaram a ver irregularidades da crosta, cuja espessura varia de 20 a 68 km, deixando as regiões mais finas mais sujeitas a terremotos e as mais espessas, a colapsos.
“Começamos a ver a interação da crosta e a região mais superficial do manto”, comentou o geofísico Walter Mooney, do Serviço Geológico dos Estados Unidos, no Frontiers in Earth Science, encontro realizado no início de julho na Universidade de São Paulo (USP). Os geofísicos dos Estados Unidos estão reexaminando as possíveis consequências de dois fenômenos que ocorrem com a crosta.

O primeiro é o mergulho das placas tectônicas – pedaços móveis e rígidos da litosfera, a camada superficial que inclui a região mais externa do manto – em regiões mais profundas do manto, ampliando o risco de tremores de terra nas regiões onde ocorrem. Os dados reiteram as conclusões de um estudo recente coordenado por Marcelo Assumpção, professor do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da USP. Físico de formação, Assumpção, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Brasília, verificou que os tremores de terra no Brasil ocorrem com maior frequência em regiões onde a crosta e a litosfera são mais finas, portanto mais frágeis.
A entrada de água na litosfera, abaixo da crosta, é outro fenômeno que está sendo delineado. É intrigante porque a água não poderia ser armazenada na crosta inferior por causa da pressão exercida pelas camadas de rochas e da temperatura de cerca de 205ºC; portanto, evaporaria rapidamente. Na verdade, o que existe no interior da Terra não é exatamente água, mas os componentes da molécula de água, hidrogênio e oxigênio, ligados à estrutura cristalina dos minerais na forma de H2O ou OH.
Mooney e sua equipe detectaram uma intensa intromissão aquática em regiões dos Andes onde a crosta atinge 65 km de espessura, mas não souberam explicar a razão desse fenômeno. “Onde essa água está armazenada? Qual o volume?”, questionou-se, diante dos colegas de vários países que compareceram à reunião científica na USP. Talvez, ele comentou, a água venha das placas tectônicas que afundam ou se afastam. Os especialistas viram que a litosfera sem água é geologicamente mais antiga, enquanto a hidratada é mais recente, indicando que a hidratação poderia contribuir para a formação ou transformação das camadas mais externas ou mesmo do manto mais profundo, próximo ao núcleo. Moléculas de água são importantes porque, “mesmo em proporções ínfimas, de 0,1%, podem mudar a viscosidade dos materiais, e portanto a visão sobre a circulação de matéria e energia no interior da Terra”, comenta o físico João Francisco Justo Filho, professor da Escola Politécnica da USP que trabalha com Renata Wentzcovitch desde 2007. “Uma grande quantidade de água pode estar escondida no manto inferior em minerais”, afirma o geoquímico Francis Albarède, da Escola Normal Superior de Lyon, França. “Talvez o equivalente a um oceano inteiro.” Ou mais, “talvez vários oceanos”, cogita Renata. Por meio de cálculos computacionais, ela começou a examinar as possibilidades de dois átomos de hidrogênio substituírem o magnésio ligado ao oxigênio e formarem unidades de H2O. “Quanto mais procuramos, mais encontramos defeitos nas estruturas cristalinas, onde o hidrogênio poderia entrar”, diz ela. O problema é que não se sabe quanto hidrogênio pode estar armazenado no manto.
Mais abaixo, as incertezas aumentam, diante da impossibilidade de medir com precisão o que se passa a 6.000 km de profundidade. Ainda se conhece pouco sobre a composição do núcleo terrestre, tão denso a ponto de concentrar 30% da massa do planeta em duas regiões, uma externa, líquida, e outra interna, sólida, onde a temperatura pode ir além de 6.000 oC. Uma equipe da University College London usou a mesma abordagem conceitual que o grupo de Minnesota, a teoria funcional de densidade, para estimar a intensidade do fluxo de calor que vem da região limítrofe entre o núcleo e o manto, a partir da quantidade de ferro, oxigênio e enxofre e silício sugerida pelas velocidades de ondas sísmicas que atravessam o núcleo e pelo fluxo de calor do manto inferior. Os resultados, publicados em maio na Nature, indicaram que o fluxo de calor que emana do núcleo deve ser duas a três vezes maior que o previamente estimado. Para onde foi ou vai essa energia, nem imaginam.

Minerais em decomposição

Muitos estudos em andamento se concentram no manto, uma espessa camada sólida, levemente flexível, que se deforma muito lentamente, como o piche. A não ser nas raras ocasiões em que o magma emerge por meio dos vulcões, trazendo material do manto, os estudos são feitos de modo indireto, por meio do monitoramento da velocidade das ondas sísmicas, e é difícil saber diretamente o que se passa no manto. Os japoneses querem ir além do recorde de 12 km já perfurados e chegar ao manto usando um navio com uma sonda semelhante à de um petroleiro. A missão, anunciada em julho na revista New Scientist, não será simples: os materiais das brocas a serem usadas para perfurar a crosta e chegar ao manto devem resistir a pressões 2 mil vezes maior que a da superfície e temperaturas próximas a 900ºC, uma tarefa similar ao plano de extrair petróleo da camada de pré-sal do litoral paulista.
“Eu cozinho rochas, para entender como se formaram”, diz o geólogo Guilherme Mallmann, pesquisador do Instituto de Geociências da USP, que adotou outro método para conhecer melhor o interior do planeta. Em laboratório, ele submete os componentes químicos que constituem os minerais a altas pressões e temperaturas. Fornos e prensas como os que ele usa, porém, só permitem reproduzir fenômenos que se passam a até 150 km de profundidade, a região do manto superior em que se formam o magma, que às vezes emerge por meio dos vulcões. As condições de pressão mais profundas do interior da Terra também podem ser alcançadas experimentalmente, segundo ele, mas é muito mais difícil. Como pressão é o resultado da força sobre uma área, o volume de material analisado teria de ser reduzido bastante para se alcançar essas pressões altíssimas. “Construir prensas maiores é muitas vezes inviável.”

A perovskita, assim chamada em homenagem ao mineralogista russo Lev Perovski, forma-se em ambientes sob pressões e temperaturas elevadas, que no manto inferior podem variar de 23 a 135 gigapascal (1 gigapascal é cerca de 10 mil vezes maior que a pressão na superfície terrestre) e 2.000ºC a 4.000ºC. Renata apresentou a estrutura cristalina desse mineral – um silicato de magnésio e ferro – em 1993 na revista Physical Review Letters por meio de losangos verdes e amarelos, lembrando a bandeira brasileira. A razão era simples: “Saudade”, diz a pesquisadora, que mora nas cidades gêmeas Mineápolis-Saint Paul, com 2,5 milhões de habitantes, próximo à fronteira com o Canadá, onde a temperatura no inverno pode se manter em 20ºC negativos durante semanas.
Em colaboração com físicos da Itália e do Brasil, Renata verificou que os átomos de ferro de um mineral chamado ferropericlásio, o segundo mais abundante no manto inferior, perdem uma de suas propriedades mais marcantes, o magnetismo, desse modo explicando um fenômeno que havia sido observado em laboratório. Em 2007 João Justo trabalhou em Minnesota com Renata e desenvolveram uma série de equações que estabelecem a mudança de propriedades elásticas e velocidades sísmicas durante a surpreendente perda de magnetismo do ferro resultante do aumento da pressão no mineral ferropericlásio.

“O tamanho do átomo de ferro diminui quando perde o momento magnético e desse modo torna o ferropericlásio mais denso. Além disso, minerais com ferro amolecem durante o processo lento de densificação, como já havia sido observado em laboratório, mas ainda não havia sido explicado”, diz Justo. É um fenômeno surpreendente porque o normal é o material endurecer quando se torna mais denso.

Os resultados a que ele e Renata chegaram foram publicados em 2009 na revista PNAS e explicaram a perda de magnetismo sob pressão e temperatura equivalentes às do manto inferior, que James Badro, das universidades de Paris 6 e 7, havia detectado em laboratório e relatado na Science em 2003 e 2004. A verificação experimental desse fenômeno, uma das grandes descobertas da geofísica dos últimos anos, indicou que a proporção de ferro não magnético pode aumentar com a profundidade e, além disso, que as camadas mais profundas do manto inferior podem ser ainda mais densas que as menos profundas.

A jornada

Quando era pré-adolescente, Renata gostava de fazer os testes de matemática que seu avô Adolfo Foffano lhe passava todos os dias em que estavam juntos, nas férias de final de ano em Sumaré, interior paulista. Ela estudou física na Universidade da São Paulo e chegou à Berkeley, nos Estados Unidos, em 1983, por recomendação de José Roberto Leite e Cylon Gonçalves da Silva.
A jornada de Renata incluiu uma temporada em Cambridge e em Londres, de 1990 a 1992, depois de ela ter ampliado as possibilidades de uso de suas técnicas de simulações de materiais. Suas novas técnicas eram tão gerais que serviam para estudar o movimento atômico e as transformações de estrutura cristalina a altas pressões e temperaturas. Para isso, ela usou o chamado cálculo de primeiros princípios, baseado na teoria funcional de densidade, cuja essência é simples: a energia total de um conjunto de elétrons em seu estado de equilíbrio depende da densidade total de elétrons.

Depois de muito trabalho, deu certo. “Em menos de um mês, com minhas técnicas, resolvi a estrutura do silicato de magnésio a alta pressão, em que os pesquisadores de Cambridge trabalhavam havia dois anos”, diz ela. Resolver uma estrutura, ela explica, “significa identificar a posição de equilíbrio e os graus de liberdade de uma estrutura cristalina com certa simetria que minimizam a energia interna”. Até então podiam-se determinar facilmente apenas estruturas como a do diamante, formada por dois átomos na base e um grau de liberdade, que se reflete na distância entre os átomos de carbono. A estrutura da perovskita tem 20 átomos de silício, magnésio e oxigênio e 10 graus de liberdade, “é muito mais complexa que a estrutura dos semicondutores e por isso o seu comportamento a altas pressões era até então desconhecido”, diz ela.

No início, um de seus problemas era que não podia conferir experimentalmente suas previsões teóricas. Mas, em 2003, trabalhando com pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Renata e sua equipe de Minnesota analisaram o espectro de raios X que diferiam muito dos esperados a pressões muito altas.  Eles concluí-ram que havia ocorrido uma transformação de fase – ou mudança de estrutura cristalina – para uma estrutura desconhecida. “No início não acreditei”, diz ela, “porque a perovskita parecia tão estável!” No ano seguinte, um artigo na Science apresentou a nova estrutura cristalina e lançou a pós-perovskita, hoje reconhecida como o material mais abundante na região do manto conhecida como D’’, em contato com a camada mais externa do núcleo da Terra. “A pós-perovskita explica muitas características geofísicas dessa região da Terra”, observou Mallmann, da USP.
A pós-perovskita tem uma estrutura em camadas, através das quais viajam as ondas sísmicas, em velocidades que dependem da direção inicial. Esse trabalho reforçou a conclusão de outros estudos, que haviam indicado que esse mineral poderia se formar em diferentes profundidades do manto inferior.

No relato publicado na Science em 24 de março de 2004, o físico Surendra Saxena, da Universidade Internacional da Flórida, Estados Unidos, contestou as conclusões, disse que ainda acreditava que a perovskita se decompõe apenas nas regiões do manto mais próximas do núcleo e lembrou que a teoria ainda não era perfeita, mas estudos subsequentes sobre a propagação de ondas sísmicas parecem confirmar a presença da pós-perovskita na região D’’. “Temos tido muita sorte”, comentou Renata. “Os resultados de cálculos computacionais de velocidades na pós-perovskita são surpreendentes, pois reproduzem muitas observações sismológicas da região D”, até então inexplicáveis. Não dever ser simples coincidência.”
Foi também em 2004, quando esse trabalho começou a circular, que Renata recebeu um financiamento de US$ 3 milhões da National Science Foundation, dos Estados Unidos, para montar o Laboratório Virtual de Materiais Planetários e Terrestres (VLab) no Instituto de Supercomputação da Universidade de Minnesota. O VLab reuniu químicos, físicos, cientistas da computação, geofísicos e matemáticos que, motivados pela possível existência da pós-perovskita em outros planetas, começaram a ver as prováveis transformações que os minerais poderiam sofrer no interior dos planetas gigantes do sistema solar – Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, com massa pelo menos 10 vezes maior que a da Terra, sob pressões e temperaturas ainda mais altas.
Os resultados de seu grupo, como os detalhados na Science em 2006, apresentando as prováveis transformações do silicato de magnésio nos planetas gigantes mais próximos da Terra, indicaram que essas técnicas de cálculo podem ser úteis para estudar a evolução de planetas. “Os padrões de comportamento dos minerais em planetas diversos não podem ser só coincidência”, ela comentou, diante da plateia que a ouvia atentamente durante o seminário na USP.

As simulações do comportamento de materiais em altas profundidades e os estudos experimentais, principalmente quando se casam, ajudam a elucidar os fenômenos do interior da Terra. Em julho, pesquisadores franceses anunciaram que conseguiram recriar em laboratório as condições ambientais do limite do núcleo externo com o manto inferior. Eles mostraram, por meio de análises de raios X, que as rochas parcialmente derretidas quando submetidas a alta temperatura e pressão podem se mover em direção à superfície da Terra, originando ilhas vulcânicas como as do Havaí.

Uma Terra mais real

As novas informações sobre o interior do planeta alimentam o trabalho de grupos brasileiros de pesquisa em geofísica básica, focados no exame da Terra em grande escala, em São Paulo, Rio de Janeiro, Rio Grande do Norte e Distrito Federal. De modo mais amplo, beneficiam as equipes de geofísica aplicada, que trabalham com petróleo, mineração e água subterrânea, da Bahia, Pará, Rio, São Paulo, Rio Grande do Norte, Distrito Federal e Rio Grande do Sul.
Vistos em conjunto, os resultados ajudam a construir uma imagem mais sólida da Terra, já representada de muitos modos nos últimos séculos. O conhecimento sobre a estrutura e o interior da Terra avançou bastante desde 1912, quando o geofísico alemão Alfred Wegener concluiu que a Terra deveria ser formada por placas rígidas que se movem, e se distancia cada vez mais das imagens poéticas da Viagem ao centro da Terra, a magnífica obra do escritor francês Júlio Verne, publicada em 1864. “Hoje sabemos que o interior da Terra, diferentemente do que Júlio Verne escreveu”, assegura Justo, “é absolutamente misterioso e certamente inabitável”. Nem por isso, diz Assumpção, nosso planeta deixa de ser fascinante.

Artigos científicos

WENTZCOVITCH, R.M. et al. Ab initio molecular dynamics with variable cell shape: Application to MgSiO3. Physical Review Letters. v. 70, p. 3.947-50. 1993.

TSUCHIYA, T. et al. Phase transition in MgSiO3 perovskite in the earth’s lower mantle. Earth and Planetary Science Letters. v. 224, n. 3-4, p. 241. 2004.

WENTZCOVITCH, R.M. et al. Anomalous compressibility of ferropericlase throughout the iron spin crossover. PNAS. v. 106, p. 8.447-52. 2009.

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