Simulações do crescimento da Terra mostram uma correlação entre o
momento da formação da Lua e a quantidade de massa que a Terra acumulou
posteriormente. Esse relacionamento fornece uma maneira de medir a idade do nosso planeta.Ver Cartap.84
A idade dos objetos mais antigos do Sistema Solar é conhecida com uma precisão notável - 4.567 milhões de anos 1 , 2 - graças aos recentes avanços na datação de meteoritos. Infelizmente, a aplicação dos mesmos métodos de namoro na Terra gera uma época frustrantemente confusa.
Nosso planeta se formou em algum momento durante os primeiros 150 milhões de anos da história do Sistema Solar 3 , 4 , 5 , mas não sabemos quando.
Na página 84 desta edição, Jacobson et al .6
propõem uma maneira de medir o tempo em que a Terra terminou de se
formar usando simulações numéricas do crescimento do planeta e sua
composição química.
O resultado: a Terra se formou em 95 milhões de anos, com uma incerteza
de 32 a 39 milhões de anos, tornando o planeta com 4.470 milhões de
anos.
Uma grande parte do problema de namorar a Terra é que nosso planeta não apareceu da noite para o dia. A partir de origens humildes, a Terra gradualmente acumulou material por um longo período de tempo. De fato, ainda hoje está ganhando massa na forma de meteoritos e partículas de poeira interplanetárias. O que é necessário é um marco no crescimento da Terra, no qual podemos dizer que o planeta estava essencialmente completo. Um marco amplamente adotado é a principal colisão com um corpo do tamanho de um planeta que se pensa ter formado a Lua 7 ( Fig. 1 ).
A teoria atual sugere que a Terra experimentou vários desses 'impactos
gigantes' durante sua formação, sendo o último o impacto da formação da
Lua. Cada impacto misturava material que acabaria no núcleo metálico da Terra e no manto rochoso, além de adicionar volume a ambos.
Figura 1: Nascer da Terra a partir da Lua.
NASA
Jacobson et al .6
descobrem que o momento do impacto da formação da lua na Terra está
inversamente relacionado à quantidade de massa que o planeta acumulou
posteriormente.
A natureza prolongada do crescimento da Terra e a existência de
múltiplos impactos gigantes complicam a tarefa de datar a Terra usando
relógios radiométricos - aqueles que combinam taxas conhecidas de
decaimento de materiais radioativos com medições de como esses materiais
e seus produtos de decaimento estão hoje distribuídos na Terra.
Por um lado, não está claro quanta mistura de material do núcleo e do
manto ocorreu com cada impacto gigante e até que ponto os relógios
radiométricos foram redefinidos como resultado.
A Terra provavelmente guarda uma memória de vários desses eventos, e não apenas do último.
Impactos gigantes podem ter lançado alguns dos elementos mais voláteis
do planeta para o espaço, distorcendo os sistemas de datação
radiométrica que assumem que todos os produtos de decaimento radioativo
ainda estão presentes. Também é possível que o núcleo e o manto da Terra continuem interagindo por algum tempo após o último impacto gigante.
É aqui que modelar o crescimento do nosso planeta pode render dividendos.A formação dos planetas rochosos do Sol provavelmente passou por vários estágios 8
, começando com grãos de poeira do tamanho de micrômetros no nascente
Sistema Solar, passando para corpos do tamanho de asteroides conhecidos
como planetesimais e, depois, para algumas dezenas de massas da Lua para
Marte embriões planetários.
O acúmulo desses embriões planetários nos planetas rochosos modernos
por meio de impactos gigantes ocasionais foi de longe o estágio mais
lento e determinou em grande parte quanto tempo a Terra levou para se
formar.
Jacobson et al . modelaram esse estágio final de crescimento, começando com várias populações de embriões planetários e planetesimais.
Eles também examinaram dois cenários amplamente diferentes para o que
os planetas gigantes do Sistema Solar estavam fazendo durante esse
período.
No caminho, os autores encontraram uma correlação interessante e
notavelmente robusta: o momento do último impacto gigante na Terra está
inversamente relacionado à quantidade de massa que o planeta acumulou
depois das sobras planetesimais. Se o último impacto gigante ocorresse logo no início, haveria muitos planetesimais sobrando para a Terra varrer depois.
Se o último impacto gigante estivesse atrasado, poucos planetesimais
teriam permanecido e o crescimento da Terra teria cessado em grande
parte.
Essa correlação fornece uma maneira independente de datar o impacto da
formação da Lua, desde que possamos medir a quantidade de material que
chegou posteriormente. Felizmente, há uma maneira de fazer isso. Vários elementos, como o irídio e a platina, mostram uma forte tendência a se mover para o núcleo da Terra.
Durante a agitação de cada impacto gigante, esses elementos se
desprenderam do manto do planeta, unindo-se a material pesado e rico em
ferro, destinado a afundar até o núcleo. Após o último impacto gigante, o manto da Terra deveria ter sido quase completamente despido de irídio, platina e seus primos.
Na prática, esses elementos estão presentes em pequenas quantidades no
manto e nas mesmas proporções relativas vistas em muitos meteoritos 9 .
Para muitos pesquisadores, isso sugere que a Terra adquiriu uma fração
de sua massa após o último impacto gigante, quando o núcleo e o manto
deixaram de se separar. Jacobson et al .
combine a massa medida desse material extra com a correlação de suas
simulações até a data do impacto da formação da Lua e deduza a idade da
Terra. Eles acham muito improvável que a Terra tenha terminado de se formar nos primeiros 38 milhões de anos do Sistema Solar.
Seu tempo favorecido - 95 milhões de anos - é compatível com algumas
estimativas de datação radiométrica de quando o núcleo da Terra terminou
de formar 4 e torna a Terra confortavelmente mais velha do que os minerais mais antigos conhecidos por se formarem em sua crosta 10 .
Naturalmente, o método de Jacobson e colegas é tão válido quanto a nossa imagem de como os planetas se formam.
O modelo padrão para a formação de planetas no Sistema Solar está longe
de ser completo e, ultimamente, houve um tempo tórrido tentando
explicar alguns aspectos dos sistemas planetários extra-solares, como a
existência de planetas do tamanho da Terra orbitando muito perto de sua
estrela 11 . Se as condições durante o crescimento dos planetas fossem diferentes das assumidas por Jacobson et al ., A idade estimada dos autores para a Terra poderia estar incorreta.
Apesar dessa advertência, é encorajador ver estudos que combinem a
física fundamental inerente às simulações numéricas da formação de
planetas com a riqueza de informações disponíveis na composição da
Terra.
Compreender como e quando os planetas do Sol se formaram é imensamente
desafiador, e os pesquisadores precisam de todas as ferramentas
disponíveis. Estudos como o de Jacobson e colegas podem ser a melhor esperança para entender como e quando o nosso planeta surgiu.
Referências
1
Amelin, Y. et ai.Planeta Terra.Sci.Lett.300 , 343- 350 (2010).
A Terra cresceu pela acumulação de material meteorítico.
Dados isotópicos de alta precisão revelam como a composição desse
material mudou ao longo do tempo, forçando a revisão de modelos da
formação do nosso planeta.Ver Cartasp.521 e p.525
Por mais de meio século, os cientistas estimaram a composição química
em massa da Terra em comparação com seus potenciais blocos de construção
cósmica, como amostras de meteoritos. Em um avanço conceitual, na página 521 , Dauphas 1
usa o conteúdo isotópico exclusivo de diferentes tipos de meteorito
para identificar aqueles que melhor representam esses blocos de
construção. O autor também avalia se o material adicionado à Terra durante sua formação mudou com o tempo. Na página 525 , Fischer-Gödde e Kleine 2
mostram que nem mesmo os 0,5% acumulados mais recentemente desse
material consistiam no tipo de meteorito que há muito se acredita ser um
dos principais contribuintes para a composição do nosso planeta. Essa percepção desafia nossa compreensão de como a Terra obteve seu inventário de elementos voláteis e água.
Na década de 1970, a Terra mostrou uma composição isotópica de oxigênio diferente da maioria dos meteoritos 3 .
Os únicos meteoritos com abundância isotópica de oxigênio semelhante
são chamados condritos de enstatita, ricos em silício e altamente
reduzidos (a maioria do ferro é na forma de metal ou sulfeto, em vez de
óxido). Essa semelhança levou vários modelos que basearam a composição da Terra em condritos enstatitos 4 , 5 .
No entanto, a incompatibilidade na composição elementar entre esses
meteoritos e as rochas da Terra levou a maioria dos pesquisadores a
continuar usando modelos baseados em meteoritos mais oxidados e ricos em
voláteis, conhecidos como condritos carbonáceos 6 , 7 .
Melhorias na capacidade de determinar abundâncias isotópicas precisas
levaram à descoberta de que muitos elementos podem ser usados para
distinguir entre Terra e meteoritos 8 . Em 2011, um estudo dessas diferenças isotópicas sugeriu que a Terra foi feita a partir de uma mistura de tipos de meteoritos 9 , não apenas dos condritos carbonáceos que haviam sido o principal componente da maioria dos modelos.
Dauphas leva essa abordagem adiante desenvolvendo uma metodologia na
qual a disparidade isotópica entre diferentes grupos de meteoritos e a
Terra pode ser usada para rastrear a composição dos materiais que se
acumularam em nosso planeta ao longo de sua formação.
O evento de diferenciação química mais importante na história da Terra
foi a separação do núcleo de ferro-metal do manto de silicato ( Fig. 1 ). Quando o núcleo se formou, elementos que são mais solúveis em metal que em silicato foram removidos seletivamente do manto.
Alguns elementos (como irídio, platina, paládio e rutênio) são tão
solúveis em metal que o manto deveria ter sido efetivamente retirado
deles durante a formação do núcleo.
No entanto, as abundâncias observadas desses elementos no manto estão
na mesma proporção relativa que as observadas nos meteoritos primitivos. Além disso, eles são esgotados por um fator de apenas cerca de 350 em relação à sua abundância em meteoritos 10 , em comparação com o esgotamento de um milhão de vezes 11 que seria esperado se o manto estivesse em equilíbrio químico com o núcleo.
Figura 1: Sondando a formação da Terra.
Quando o núcleo de ferro-metal da Terra se separou de seu manto de
silicato, elementos mais solúveis em metal que em silicato foram
transferidos para o núcleo. Após a formação do núcleo, esses elementos foram adicionados de volta ao manto por acúmulo de material meteorítico. Dauphas 1 considera os elementos titânio, cromo, níquel, molibdênio e rutênio (listados em ordem crescente de preferência pelo núcleo).
Usando as diferenças isotópicas desses elementos entre a Terra e os
meteoritos, o autor mostra que nosso planeta se formou a partir de uma
mistura de tipos de meteoritos durante os primeiros 60% de seu
crescimento e, posteriormente, quase inteiramente de meteoritos pobres
em oxigênio chamados condritos de enstatita.
Fischer-Gödde e Kleine 2
usam medidas isotópicas de rutênio de alta precisão para confirmar que
os últimos 0,5% do material acumulado eram mais como condritos de
enstatita.
Uma explicação é que esses elementos foram adicionados de volta ao
manto pelo acréscimo subsequente de material meteorítico (com uma massa
de cerca de 0,5% da da Terra) após a formação do núcleo 12 .
Dauphas observa que, se é assim, a composição isotópica do rutênio no
manto rastreia apenas os últimos 0,5% do material do qual nosso planeta
se formou.
Por outro lado, a composição isotópica do manto de elementos que são
completamente insolúveis em metal reflete a composição média de todo o
material do qual a Terra cresceu.
Usando essa abordagem, para a série de elementos titânio, cromo, níquel
e molibdênio (listados em ordem crescente de preferência pelo núcleo),
Dauphas estima que sua composição isotópica no manto reflete os últimos
95%, 85%, 39% e 12% do material acumulado pela Terra, respectivamente.
Então, usando as diferenças isotópicas desses elementos entre a Terra e
os meteoritos, o autor descobre que nosso planeta se formou a partir de
uma mistura de tipos de meteoritos nos primeiros 60% de seu crescimento
e quase inteiramente de condritos enstatitos pelo restante.
As medidas isotópicas de rutênio de alta precisão apresentadas por
Fischer-Gödde e Kleine reforçam a conclusão de que os últimos 0,5% do
material acumulado eram isotopicamente mais semelhantes aos condritos de
enstatita.
O aspecto perturbador desta conclusão é que a composição química dos
condritos de enstatita é muito diferente daquela das rochas na
superfície da Terra.
Consequentemente, se a Terra é composta principalmente de condritos
enstatitos, seu interior profundo deve ter uma composição
substancialmente diferente de suas camadas externas 5 . Embora possível, essa explicação não é facilmente conciliada com muitas linhas de evidência.
Uma alternativa oferecida por Dauphas é que os condritos enstatitos
possam ser os restos dos processos que formaram a Terra, mas cujas
composições foram modificadas pelo processo de formação do planeta. Essa é uma sugestão intrigante, mas cujas consequências exigirão muito mais investigação.
Se os últimos 0,5% do material acumulado pela Terra tivessem sido
compostos por um tipo específico de condrito carbonáceo rico em
voláteis, conhecido como condrito CI, uma quantidade de água equivalente
em massa aos oceanos da Terra seria adicionada ao planeta 10 .
As medições de Fischer-Gödde e Kleine mostram que esse material
acumulado tardiamente consistia em condritos enstatitos relativamente
"secos".
Portanto, a água foi fornecida à Terra durante todo o seu crescimento,
em vez de ser adicionada no final de sua história através do acúmulo de
materiais ricos em voláteis, como condritos ou cometas carbonáceos.
Os resultados apresentados nesses trabalhos levam à conclusão
preocupante de que os meteoritos de nossa coleção não são exemplos
particularmente bons dos elementos estruturais da Terra.
Embora isso torne a estimativa da composição global do planeta mais
difícil, novos dados isotópicos e abordagens para interpretar esses
dados fornecem o próximo passo para uma melhor compreensão de como a
Terra se formou.Nota de rodapé 1
Richard W. Carlson está no Departamento de Magnetismo Terrestre, Carnegie Institution for Science, Washington DC 20015, EUA.
Richard W. Carlson
Rocha antiga tem impressões digitais isotópicas das origens da Terra
Identificar os blocos de construção da Terra a partir de rochas
terrestres é um desafio, porque esses ingredientes se misturaram à
medida que o planeta evoluiu. A evidência de um bloco de construção desconhecido em rochas antigas fornece novas informações.
Terra formada a partir de uma seleção desconhecida de material meteorítico.Escrevendo na natureza , Fischer-Gödde et al.1
relatam que a composição de isótopos de rutênio em rochas antigas do
sudoeste da Groenlândia contém evidências de um bloco de construção da
Terra anteriormente não reconhecido.
Surpreendentemente, a composição isotópica inferida de rutênio no
material não corresponde às composições conhecidas de meteoritos.
As descobertas dos autores sugerem que os componentes voláteis da
Terra, como água e compostos orgânicos, poderiam ter chegado durante os
estágios finais do crescimento do planeta.Nosso planeta é o produto de uma série de colisões de corpos celestes cada vez maiores 2-4 .
Esses componentes foram acumulados a partir de um disco protoplanetário
de poeira e gás que orbitava o proto-Sol há cerca de 4,6 bilhões de
anos atrás.
Identificar as composições dos blocos de construção da Terra é difícil
por causa do nosso acesso limitado aos remanescentes do disco e por
causa do processamento geológico complexo e de longo prazo do manto que
mistura os ingredientes antigos da Terra.
As respostas potenciais para a pergunta de que é feita a Terra podem
vir de estudos nos quais as composições isotópicas de amostras de rochas
terrestres são comparadas com as de meteoritos que se formaram nos
primeiros milhões de anos da história do Sistema Solar.
Presume-se que esses meteoritos sejam representativos dos corpos
menores que finalmente se fundiram para formar os planetas rochosos. Consequentemente, os meteoritos são nossos candidatos mais promissores para os blocos de construção da Terra.
O estudo de Fischer-Gödde e colegas baseia-se na constatação de que os
meteoritos têm composições isotópicas características que servem como
impressões digitais para distinguir diferentes tipos de blocos de
construção em potencial.
Por exemplo, meteoritos como os condritos carbonáceos, que geralmente
são 'úmidos' (ou seja, contêm componentes voláteis), têm diferentes
impressões digitais isotópicas dos meteoritos geralmente 'secos' 5 .
As diferenças na composição isotópica se originam da distribuição
heterogênea da poeira estelar no disco protoplanetário e são conhecidas
como variações de isótopos nucleossintéticos.
Se as impressões digitais pudessem ser identificadas em amostras de
rochas terrestres, isso poderia fornecer evidências do material dos
meteoritos dos quais a Terra foi construída.
A documentação das impressões digitais nas rochas terrestres poderia
ajudar a restringir as estimativas de quando os elementos voláteis foram
entregues à Terra e de onde eles vieram. Isso ocorre porque a abundância de certos isótopos de alguns elementos - rutênio-100 ( 100
Ru), por exemplo - não apenas distingue entre blocos de construção
úmidos e secos, mas também traça diferentes estágios da história de
acreção da Terra. O rutênio é classificado como um elemento altamente siderófilo (amante
de ferro), porque se acumula em fases ricas em metal do interior da
Terra. Consequentemente, a maior parte do rutênio do nosso planeta está concentrada em seu núcleo metálico.
Existem, no entanto, vestígios de rutênio e outros elementos altamente
siderófilos (HSEs) no manto, e suas proporções relativas se aproximam
daquelas medidas em meteoritos primitivos 6 .
Uma interpretação disso é que os HSEs foram adicionados ao manto após a
formação do núcleo, durante um evento chamado folheado tardio - quando o
valor final de aproximadamente 0,5% (do total percentual do peso) da
massa da Terra acumulou 7,8 . Nesse caso, o rutênio e outras HSEs no manto registram a composição do último material que se acumulou na Terra 9 .
Foi proposto que os elementos voláteis da Terra também foram
adicionados durante o final do revestimento, possivelmente pelo acúmulo
de condritos carbonáceos10,11 .
Estudos nos últimos anos, no entanto, encontraram uma incompatibilidade entre a composição do isótopo de 100 Ru (as abundâncias de 100 Ru em rochas terrestres) no manto da Terra e a dos condritos carbonáceos 12,13 .
Concluiu-se, portanto, que os condritos carbonáceos não faziam parte do
folheado tardio, lançando dúvidas sobre o momento da entrega dos
voláteis à Terra 13 .
Essa conclusão se baseia na suposição de que as EHSs no manto não
contêm quantidades significativas de material antes do revestimento
tardio - uma afirmação razoável, dado que há evidências diretas
limitadas disso. Se o manto de pré-revestimento tardio continha uma quantidade substancial de 100 Ru que não se acumulava no núcleo, e que era identificável por ter uma composição de isótopo de 100 Ru diferente da do manto moderno, os condritos carbonáceos ainda poderiam ter foi acumulado durante o final do verniz. Variações nucleossintéticas de isótopos de rutênio não foram relatadas para rochas terrestres até agora.
Isso ocorre, em parte, porque a Terra possui placas tectônicas ativas e
convecção de manto, que misturam e diluem as impressões digitais de
seus blocos de construção. No entanto, nos últimos anos, foram desenvolvidos métodos analíticos 14
que permitem medir variações de isótopos na escala de partes por
milhão, possibilitando a busca dessas assinaturas isotópicas primitivas. Comparando as 100
composições de isótopos Ru de rochas terrestres com as de meteoritos,
Fischer-Gödde e colaboradores relatam que uma parte antiga da Terra,
preservada em rochas do sudoeste da Groenlândia, retém as impressões
digitais de um bloco de construção incomum (Fig. 1 )
O fato de as composições de isótopos inferidas não corresponderem às
composições conhecidas de meteoritos indica que as coleções atuais de
meteoritos são consideravelmente limitadas na amostragem do disco
protoplanetário.
Figura 1Um cenário para a preservação de material antigo no manto da Terra.a , Entre 4,6 bilhões e cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, a Terra se formou a partir da acumulação de material de meteoritos.Elementos siderófilos, que têm uma forte afinidade por metais, segregam no núcleo.b)
O valor final de aproximadamente 0,5% do peso percentual total da massa
da Terra acumulado pelos meteoritos durante um evento chamado
revestimento tardio, após a formação do núcleo.c , Fischer-Gödde et al.1 relatam que rochas antigas do sudoeste da Groenlândia têm uma composição incomum de isótopo de rutênio.Eles atribuem isso à presença de material de manta pré-folheada nas rochas.A distribuição do material de pré-revestimento tardio mostrado aqui é especulativa;a quantidade e a distribuição reais não podem ser derivadas dos dados disponíveis.
Os autores interpretam seus dados incomuns de 100 Ru como a assinatura isotópica do rutênio pré-laminado na origem dessas rochas.
Considerando suas descobertas no contexto das composições de outras
HSEs no manto, os autores sugerem que a composição moderna do manto só
pode ser conciliada com seus novos dados se o folheado tardio contiver
condritos carbonáceos para contrabalançar a composição do pré-tardio
componente de folheado do manto. Isso significaria que os voláteis poderiam ter sido entregues à Terra durante os estágios finais da formação do planeta.
Os dados de Fischer-Gödde e colegas respondem à questão de longa data
de saber se os diversos blocos de construção da Terra são preservados e
acessíveis para estudo.
Mas os dados também levantam questões importantes, cujas respostas, sem
dúvida, determinarão a importância das novas descobertas. Por exemplo, quão representativo do manto pré-folheado é o conjunto de amostras de rochas do sudoeste da Groenlândia? As impressões digitais nucleossintéticas são observadas nas composições isotópicas de outros elementos no manto?
Qual é a composição dos meteoritos 'ausentes' que dominavam a
composição de rutênio do manto de pré-revestimento tardio e por que
ainda não foi identificado? E como a assinatura isotópica desses meteoritos foi preservada no manto de convecção? Essas questões podem ser abordadas apenas expandindo a busca por impressões digitais nucleossintéticas no manto. Natureza579 , 195-196 (2020)
doi: 10.1038 / d41586-020-00605-4
Referências
1
Fischer-Gödde, M. et ai.Nature579 , 240-244 (2020).
