Como os cientistas entenderam a estrutura interna da Terra?

Há três séculos, Sir Isaac Newton estimou, a partir dos cálculos da força de atração gravitacional entre os planetas, que a densidade média da Terra deveria ter o dobro da densidade das rochas em sua superfície. Desta forma, o interior da Terra deveria ter rochas muito mais densas do que aquelas encontradas em sua superfície.

Como seriam estas rochas muito mais densas? E como elas estariam distribuídas?

Hoje em dia sabemos que a Terra é formada basicamente por 3 camadas:

  • A crosta terrestre, a camada mais fina e superficial, que possui, em média, 40 km de espessura.
  • O manto, uma camada rochosa viscosa de silicato logo abaixo da crosta, com aproximadamente 2886 km de espessura e correspondendo a cerca de 85% do volume do planeta.
  • E finalmente o núcleo, o qual é dividido em uma parte externa líquida e uma interna sólida. Estima-se que ele seja formado basicamente por metais como ferro e níquel.
Terremotos como ferramenta

A investigação direta do manto e do núcleo não é possível, uma vez que não temos acesso a estas regiões do planeta. Assim, os cientistas usam a energia gerada dos terremotos, para investigar a zona mais profunda da Terra.

A energia gerada nos terremotos é forte o suficiente para ser propagada através de ondas sísmicas que viajam internamente pela Terra. A análise das informações associadas aos terremotos fornecem novas evidências sobre a estrutura da Terra, além de conhecimento sobre os mecanismos causadores dos abalos sísmico. Sobre ondas sísmica, já conversamos sobre elas aqui.

 

Trajeto das ondas sísmicas

Com o auxílio de milhares de sismógrafos extremamente sensíveis foi possível medir o tempo e a trajetória de muitos tipos de ondas sísmicas. As primeiras observações de ondas sísmicas em longas distâncias mostrou que o caminho era curvo para cima, como mostrado na Figura 1. Isso era uma amostra que as ondas viajavam em velocidades mais altas em maiores profundidades.

Figura 1: Caminho de propagação das ondas sísmicas. As zonas de sombra, são regiões onde uma onda não chega a superfície. Na direita, zona de sombra das ondas S, na esquerda zona de sombra das ondas P. Os valores são medidos em graus angulares a partir de 0 grau no foco do tremor de terra.

As observações na rede de sismogramas mostraram também que em determinadas regiões, chamadas zonas de sombra, as ondas S ou P, não eram registradas e simplesmente desapareciam dos registros. Por exemplo, após 105 graus para as ondas S e entre 105 e 142 graus para a onda P.

Essas observações foram levantadas pelo sismólogo britânico R. D Oldham em 1906. Elas forneceram a primeira evidência que a Terra tinha uma região interna líquida. Ou seja, um núcleo líquido, onde as ondas S não poderiam se propagar.

A diferença entre as interfaces do núcleo e manto é muito abrupta. Assim, quando os sismólogos olharam os registros das ondas com distâncias angulares menores que 105 graus, encontraram chegadas correspondentes a ondas refletidas nesta interface. Eles chamaram as ondas refletidas de PcP, para as ondas P e ScS para ondas S (Figura 2).

Figura 2: Diagrama com as ondas sísmicas irradiadas a partir do foco em todas as direções. As ondas PcP e ScP são ondas P e S refletidas no núcleo externo. PKP e PKIKP são ondas P propagadas pelo núcleo externo e interno respectivamente.
Descobridores das camadas

Em 1914, o alemão Beno Gutenberg usou os tempos dessas reflexões e estimou em 2900 km a profundidade da interface núcleo-manto. Em 1936, a sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann descobriu que a existência do núcleo interno sólido, além da estimativa de sua profundidade, aproximadamente 5150 km. Para isso, ela usou as ondas transmitidas na sua interface externa. As trajetórias propagadas pelo núcleo interno receberam a letra I. Assim, o trajeto recebe o nome de PKIKP.

 

Modelo de velocidades

O tempo de viagem das ondas depende da natureza do material no qual atravessam internamente pela Terra. Assim, o grande truque é conseguir converter o tempo de viagem em uma informação de velocidade das ondas com a profundidade da Terra.

Entender esse problema é como descobrir qual o trajeto e qual velocidade foi adotada por um motorista que dirige entre duas cidades, quando sabe-se apenas o tempo de viagem. Se você tem apenas uma estrada possível a resposta é trivial para uma velocidade média. Porém para meios onde as possibilidades são inúmeras, o problema pode se tornar mais complexo.

Da mesma forma que limitamos procurando reduzir as possibilidades de estradas para nosso motorista a fim de achar uma resposta mais plausível, assim também fazemos no caso de ondas sísmicas. Os cientistas fazem isso o tempo todo quando estão diante de um problema.

Para entender melhor, os geólogos e geofísicos criaram um modelo de velocidade das ondas sísmicas para a estrutura interna da Terra. Este modelo consiste de um perfil com a velocidade estimada das ondas sísmicas baseada na possível composição mineral interna da Terra. A figura abaixo exemplifica

Figura 3: Diagrama de velocidade das ondas P e S com a profundidade.

Resolver esse problema é descobrir qual rocha, dentre as possíveis, que suportam as condições de temperatura e pressão, nos dão a velocidade e tempo registrado nos sismogramas. Para isso, temos que ir ao laboratório.

O Centro de Pesquisas Nucleares dos Estados Unidos Geological Survey passou os últimos 40 anos acumulando amostras em testemunhos. Os testemunhos de rocha, são secções cilíndricas trazidas para a superfície, e estacas (partículas semelhantes a areia). São mantidas para analisar o potencial, uma vez que a melhoria da tecnologia permite um estudo mais aprofundado. Além das análises visual e química, os cientistas também tentam simular as condições de regiões profundas sob a crosta terrestre, aquecendo e espremendo amostras para verificar como se comportam nessas condições. Mais informações sobre a composição da Terra vem do estudo de meteoritos, que fornecem informações sobre a provável formação do nosso planeta e do sistema solar.

 

Evidência Magnética e Gravitacional

As medidas de campo magnético também ajudam a compreender a estrutura interna da Terra. A Terra possui um campo magnético. Esse campo pode ser devido a moléculas ionizadas que se movem em um meio líquido no interior da Terra. A existência de um ímã permanente é improvável, uma vez que não suportaria as altas temperaturas no centro da Terra. Comparando a densidade média das rochas de 3 g/cm3 e a densidade de metais ~ 10 g/cm3 com densidade média da Terra (5 g/cm3) permitiu que os cientistas corroborassem que o centro é muito denso e que contém metal.

 

Trabalho de equipe

Evidentemente, são muitos detalhes geofísicos tais como temperatura interna, campos magnéticos dinâmicos, velocidades de propagação de ondas. Porém a ideia desse texto é mostrar um pouco de como conhecimentos diversos podem se associar e gerar novas descobertas sobre nosso planeta. E é assim que os cientistas trabalham, sejam geofísicos com medidas em campo ou debruçados nos computadores, geoquímicos nos laboratórios e geólogos em suas longas jornadas no campo para compreender o interior da Terra.

 

REFERÊNCIAS

Anderson DL. Theory of the Earth. Blackwell Publications, 1989.

Press F, Siever R,‎ JGrotzinger J, Jordan TH. Understand Earth. W.H.Freeman & Co Ltd; 4th, 2003

Ernesto M, Marques LS, Teixeira W, Toledo MCM de, Fairchild TR, Taioli F. Investigando o interior da terra. In: Decifrando a terra. São Paulo: Oficina de textos; 2000.

Kellog LH. Mapping the core mantle boundary. Nature 277:646-47. NASA: Meteors & Meteorites. Acessado em 02/03/2017.

Tauxe L, Banerjee SK, Butler RF, Van der Voo R. Essentials of Paleomagnetism: Fourth Web Edition. 2016.

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