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 H
2O 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 H
2O. “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.
