Estranha matéria ‘superiônica’ pode compor o núcleo interno da Terra

Estranha matéria ‘superiônica’ pode compor o núcleo interno da Terra

20 de julho de 2022 0 Por ucrhyan
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Material que é uma mistura de sólido e líquido pode explicar esquisitices do centro do planeta

O núcleo da Terra consiste em um núcleo externo líquido (amarelo) em torno de um núcleo interno (esfera amarela mais brilhante). Novas simulações de computador sugerem que, em vez de ser um sólido normal, o núcleo interno pode ser superiônico, um estado da matéria que possui propriedades de sólido e líquido.

Um material peculiar que se comporta como uma mistura de líquido e sólido pode estar escondido nas profundezas da Terra.

Simulações de computador descritas em dois estudos sugerem que o material no núcleo interno da Terra, que inclui ferro e outros elementos mais leves, pode estar em um estado “superiônico”. Isso significa que enquanto o ferro permanece parado, como em um sólido, os elementos mais leves fluem como um líquido.

A pesquisa dá uma visão potencial do funcionamento interno de um reino enigmático e inacessível do planeta. De acordo com a sabedoria científica convencional, o núcleo da Terra consiste em um núcleo externo líquido em torno de um núcleo interno sólido (SN: 28/01/19). Mas além de saber que o núcleo interno é rico em ferro, os cientistas não sabem exatamente quais outros elementos estão presentes e em quais quantidades.

“O núcleo interno é muito difícil de examinar simplesmente porque está tão profundo sob nossos pés”, diz o geofísico Hrvoje Tkalčić, da Universidade Nacional Australiana em Canberra.

Ondas sísmicas provocadas por terremotos podem atravessar o núcleo interno, fornecendo pistas sobre o que está dentro. Mas as medições dessas ondas deixaram os pesquisadores intrigados. A velocidade de um tipo de onda, chamada de onda de cisalhamento, é menor do que o esperado para ferro sólido ou para muitos tipos de ligas de ferro – misturas de ferro com outros materiais. “Isso é um mistério sobre o núcleo interno”, diz o geofísico Yu He, da Academia Chinesa de Ciências em Guiyang.

Em um novo estudo, He e seus colegas simularam um grupo de 64 átomos de ferro, juntamente com vários tipos de elementos mais leves – hidrogênio, carbono e oxigênio – sob pressões e temperaturas esperadas para o núcleo interno. Em um sólido normal, os átomos se organizam em uma grade ordenada, mantendo-se firmes em suas posições. Em um material superiônico, alguns dos átomos se organizam ordenadamente, como em um sólido, enquanto outros são espíritos livres semelhantes a líquidos que deslizam através da rede sólida. Na simulação, descobriram os pesquisadores, os elementos mais leves se moviam enquanto o ferro permanecia no lugar.

Esse status superiônico diminuiu as ondas de cisalhamento, relatam os pesquisadores em 9 de fevereiro na Nature, sugerindo que a estranha fase da matéria poderia explicar a inesperada velocidade da onda de cisalhamento medida no núcleo interno.

Ondas de cisalhamento, também conhecidas como ondas secundárias ou S, balançam a Terra perpendicularmente à sua direção de viagem, como as ondulações que se movem ao longo de uma corda de pular que balança para cima e para baixo (SNS: 1/12/18). Outras ondas, chamadas de ondas primárias ou P, comprimem e expandem a Terra em uma direção paralela à sua viagem, como um acordeão sendo espremido.

Para realmente explicar o núcleo interno, os cientistas devem encontrar uma combinação de elementos que mantenha tudo o que os cientistas sabem sobre o núcleo interno, incluindo a velocidade da onda S, a velocidade da onda P e sua densidade. “Você tem que combinar as três coisas, caso contrário não funciona”, diz o físico mineral John Brodholt, da University College London.

Em um estudo publicado em agosto de 2021 na Earth and Planetary Science Letters, Brodholt e colegas fizeram exatamente isso. Uma simulação de átomos de ferro, silício e hidrogênio reproduziu as características conhecidas do núcleo interno. Na simulação, o material também era superiônico: o ferro e o silício permaneceram na posição enquanto o hidrogênio fluía como um líquido.

Mas Brodholt observa que o resultado é apenas uma explicação possível para as propriedades do núcleo interno. Brodholt e seus colegas encontraram anteriormente outras combinações de elementos que poderiam explicar o núcleo interno sem se tornar superiônico, diz ele, deixando sem solução a questão do que se esconde nas profundezas da Terra.

Outro enigma do coração da Terra é o fato de que a estrutura do núcleo interno parece mudar com o tempo. Isso já foi interpretado como evidência de que o núcleo interno gira em uma taxa diferente do resto da Terra. Mas ele e seus colegas sugerem que isso pode resultar dos movimentos de elementos leves semelhantes a líquidos girando dentro do núcleo interno e alterando a distribuição dos elementos ao longo do tempo. “Este artigo oferece uma explicação para ambos os fenômenos” – a velocidade da onda de cisalhamento lenta e a estrutura de deslocamento – diz Tkalčić, que não esteve envolvido em nenhum dos novos estudos.

Uma coisa que está faltando são experimentos de laboratório que mostram como essas combinações de elementos se comportam sob condições de núcleo interno, diz o geofísico Daniele Antonangeli, da Universidade Sorbonne, em Paris, que não esteve envolvido na nova pesquisa. Tais testes podem ajudar a confirmar se as simulações estão corretas.

Experimentos anteriores encontraram evidências de que o gelo da água pode se tornar superiônico, talvez sob condições encontradas dentro de Urano ou Netuno (SN: 2/5/18). Mas os pesquisadores ainda não podem investigar o comportamento de materiais superiônicos nas condições que se acredita existirem dentro do núcleo da Terra. Portanto, os cientistas terão que continuar levando os testes a mais extremos, diz Antonangeli. “O experimentalista que está dentro de mim anseia ver a validação experimental disso.”