O núcleo da Terra: o que está no centro e como sabemos?

Quando o escritor pioneiro de ficção científica Jules Verne escreveu Journey To The Centre Of The Earth em 1864, ele provavelmente sabia que a sua trama era pura fantasia. Os personagens de Verne só conseguiram descer alguns quilômetros, mas a idéia de que qualquer pessoa poderia até mesmo contemplar a viagem ao centro da Terra tinha sido descartada antes dos tempos vitorianos.

Na verdade, ainda hoje, o mais distante que perfuramos na Terra é cerca de 12km, enquanto a distância até o centro é mais de 500 vezes maior, a 6.370km.

Então, como sabemos o que está por baixo? Descobrir o que está no coração do nosso planeta tem sido um magnífico puzzle científico.

Como sabemos que a Terra é redonda?

A ideia da Terra ter um centro significativo vai de mãos dadas com o planeta ter a forma de uma bola, e sabemos que não vivemos num disco há muito tempo.

É um mito que o povo medieval pensava que a Terra era plana – isto veio de uma mistura de propaganda anti-religiosa vitoriana, e uma interpretação errada dos mapas estilizados da época.

Foi há mais de 2.200 anos atrás que o polimata grego Eratóstenes fez a primeira medição da distância em torno da esfera da Terra, e desde então está claro que ela deve ter um centro.

Isto não significa, no entanto, que os primeiros filósofos pensavam na Terra como nós pensamos hoje.

A física grega antiga dizia que o mundo consistia numa série de esferas concêntricas de quatro elementos fundamentais: terra, água, ar e, finalmente, fogo.

Neste quadro científico mais antigo, o centro do planeta tinha de ser sólido, pois o ar não podia estar dentro da esfera da terra.

Claramente, a esfera da terra não estava completamente rodeada de água ou não haveria terra seca, por isso pensava-se que havia um pouco da terra a sair – o que significava que poderia haver apenas um continente.

Como resultado, a descoberta das Américas foi, de facto, um dos primeiros resultados científicos experimentais, refutando a ideia de um único continente, e marcando um passo significativo no caminho para ir além do pensamento científico da Grécia Antiga.

A ideia de que a Terra é inteiramente oca, ou com vastas cavernas chegando ao centro, como no livro de Verne, tem sido popular na ficção e mitologia desde a antiguidade, também se apresentando em pseudosciências e teorias conspiratórias.

No entanto, não é claro que qualquer cientista, além do astrônomo Edmond Halley, que propôs uma Terra oca para explicar algumas leituras incomuns da bússola em 1692, já tenha levado esta idéia a sério.

E em 1798, um cientista inglês e excêntrico colocou o prego final no caixão da hipótese da ‘Terra oca’. Avança Henry Cavendish, com uma experiência para pesar com precisão o planeta.

Quanto pesa a Terra?

Cavendish era um homem estranho, que só se comunicava com os seus servos através de notas para evitar encontrá-los cara a cara.

Apesar do seu passado aristocrático, Cavendish dedicou a sua vida à ciência, trabalhando tanto na química como na física, e a mais famosa concebeu uma experiência para calcular a densidade da Terra.

Usando um balanço de torção simples, que mediu a quantidade de força de torção causada pela tração gravitacional de duas bolas grandes num par menor, Cavendish foi capaz de calcular a atração gravitacional tênue entre os dois pares de bolas.

Comparando isto com a própria atração gravitacional da Terra, ele pôde calcular a densidade do planeta (e, como o tamanho da Terra já era conhecido, sua massa também).

Mas o número da densidade mostrou que nosso planeta deve ser na sua maioria sólido, a menos que houvesse materiais extremamente densos desconhecidos em algum lugar nas profundezas.

Como sabemos o que está no núcleo da Terra?

Hoje, dividimos as entranhas da Terra em três segmentos: a crosta, que é a camada exterior, entre 5 km e 75 km de espessura, o manto, estendendo-se até uma profundidade de cerca de 2.900 km, com a espessura do núcleo – o bit que nos interessa aqui – estendendo-se a cerca de 3.500 km do centro da Terra, com dois segmentos distintos.

No coração do núcleo é uma esfera extremamente quente mas ainda sólida de níquel-ferro com um raio de cerca de 1.200km. A aproximadamente 5.400°C, este núcleo interior é similar em temperatura à superfície do Sol. O restante é o núcleo externo líquido da Terra, feito principalmente de níquel-ferro, com temperaturas semelhantes, ficando mais quente em direção ao centro.

Mas como podemos saber tal detalhe sobre um local tão inacessível?

Dada a quase impossibilidade de chegarmos mesmo a mil quilômetros do núcleo, todo o nosso conhecimento é indireto e depende da sismologia – a ciência dos terremotos.

Após um tremor, as ondas sísmicas viajam através da Terra, mudando sua forma e direção, dependendo dos materiais pelos quais passam. Geofísicos têm usado esta informação para deduzir o que está no núcleo da Terra.

Os seus sismômetros, dispositivos para medir tais ondas, são o equivalente de telescópios para explorar o interior da Terra.

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No início do século XX, o aumento das temperaturas à medida que cavávamos mais fundo na Terra, combinado com a análise dos sismólogos às ondas terrestres, sugeria que as partes interiores do nosso planeta estavam pelo menos parcialmente fundidas – suficientemente quentes para transformar rocha e metal em líquido.

E as principais descobertas foram feitas por dois cientistas que, vergonhosamente, nunca foram sequer nomeados para um Prémio Nobel: O geólogo britânico Richard Oldham e a sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann.

O que nos podem dizer as ondas sobre a estrutura da Terra?

Pense numa onda, e provavelmente pensará numa onda de superfície, como uma que se vê no mar. Mas muitas ondas – som, por exemplo – viajam através do corpo de um material.

Embora as ondas sísmicas que causam danos em um terremoto sejam aquelas que viajam na superfície, há também dois tipos de ‘ondas do corpo’ que se movem através da Terra. Ondas P (‘P’ significa ‘primário’) são ondas longitudinais, assim como o som.

Vibram na direção do movimento, fazendo com que a Terra se esmague e se expanda à medida que passam.

As ondas P viajam rapidamente – cerca de 5km por segundo numa rocha como o granito, e até 14km por segundo nas partes mais densas do manto.

O segundo tipo de onda corporal, as ondas S (‘S’ significa ‘secundário’), são ondas mais lentas, transversais, movendo-se de um lado para o outro. Ao contrário das ondas P, elas não podem viajar através de um líquido, razão pela qual estes dois tipos de ondas se mostraram essenciais para nos ajudar a entender o núcleo da Terra.

Imagine que há um enorme terremoto. As ondas começam a mover-se através da Terra.

As ondas P disparam à frente, enquanto as ondas S seguem atrás a cerca de metade da velocidade. Ambos os tipos de onda serão detectados por sismômetros, que são usados para medir vibrações no solo, em toda a Terra.

Mas onde as ondas passam pelo núcleo para alcançar uma estação de medição distante, existe uma chamada zona de sombra. Viaje cerca de 104° ao redor do perímetro da Terra a partir do epicentro do terremoto e as ondas desaparecem. Mas a partir de 140°, as ondas P reaparecem, sem nenhuma onda S.

A partir de 1906, Richard Oldham percebeu as implicações desta estranha sombra. Oldham passou a maior parte de sua carreira com a Pesquisa Geológica da Índia, muitas vezes trabalhando no Himalaia.

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Quando ele se retirou para o Reino Unido em 1903, ele fez uso dos dados acumulados ao longo dos anos anteriores para sondar o interior da Terra. Ele percebeu que o comportamento observado das ondas P e S poderia ser explicado se o centro da Terra fosse líquido.

Nesse caso, as ondas P seriam refractadas pelo líquido, dobrando-se como faz a luz quando se move da água para o ar, deixando uma sombra distinta. As ondas S, pelo contrário, seriam paradas inteiramente por um núcleo líquido.

O avanço de Oldham levou a uma imagem amplamente aceita de um núcleo fundido, mas 30 anos depois, Inge Lehmann percebeu que a idéia de Oldham era muito simples.

A refracção das ondas P pelo líquido denso no centro da Terra deveria ter produzido uma sombra total.

De facto, as medições feitas com os sismómetros mais sensíveis disponíveis pelo tempo de Lehmann mostraram que as fracas ondas P ainda estavam a chegar à zona de sombra.

Ao estudar os dados que passaram pelo planeta a partir de um terramoto de 1929 na Nova Zelândia, Lehmann propôs que estas ondas estavam a ser reflectidas fora da fronteira entre um núcleo sólido interior e o líquido exterior.

Os seus resultados, publicados em 1936, foram confirmados dois anos mais tarde por Beno Gutenberg e Charles Richter, que modelaram com precisão os efeitos de um núcleo sólido.

As medidas diretas destas ondas sísmicas refletidas finalmente chegaram em 1970.

De que é feito o núcleo da Terra?

Outros estudos apanharam ondas ainda mais subtis que, a partir da sua chegada tardia, tiveram de ter atravessado o núcleo externo líquido como ondas P, antes de serem convertidas em ondas S transversais no núcleo interno, e depois voltaram às ondas P à saída.

Esta descoberta, apenas confirmada em 2005, foi mais uma prova do núcleo sólido.

Pois, a natureza exacta do núcleo interno está sujeita a um debate significativo. As temperaturas, por exemplo, só podem ser trabalhadas a partir de estudos experimentais de como os materiais derretem e solidificam sob pressão.

De fato, a suposição de que o núcleo consiste principalmente de ferro e níquel vem de uma combinação da freqüência com a qual diferentes elementos ocorrem em nossa região local da Via Láctea, e nossa compreensão de como nosso planeta se formou.

Acima da imensa pressão no centro da Terra – mais de três milhões de vezes a pressão atmosférica – os materiais podem agir de forma muito diferente das condições normais.

Embora o concorrente mais óbvio para o núcleo interno seja uma liga sólida de níquel-ferro, é possível que um plasma extremamente denso – o estado da matéria encontrada em uma estrela – tenha propriedades similares. Uma das dificuldades aqui é saber como os materiais se comportam em ambientes tão extremos.

Entrar a célula de bigorna de diamante.

Neste notável dispositivo, os pontos de dois diamantes, apenas uma fração de milímetro de diâmetro, são espremidos juntos.

Aplique uma força a uma pequena área produz mais pressão do que aplicá-la a uma larga – é por isso que ser pisado por um salto agulha é muito mais doloroso do que uma sola plana.

A bigorna diamantada cria pressões até o dobro da pressão do núcleo da Terra, e o aquecimento é aplicado usando lasers.

Quando amostras metálicas são trituradas e aquecidas em condições de núcleo, os resultados sugerem um sólido cristalino no centro da Terra.

Realisticamente, nunca chegaremos a nenhum lugar perto do núcleo da Terra.

Os níveis de calor, pressão e radioactividade (uma das principais fontes de aquecimento interno) são tão elevados que mesmo que pudéssemos perfurar mais de 6.000 km de rocha e metal, uma sonda não conseguiria sobreviver.

Comparado com chegar ao núcleo, viajar até ao exterior do Sistema Solar é trivial.

Mas as próprias vibrações do nosso planeta, produzidas pelos terramotos e interpretadas por cientistas tão engenhosos como Inge Lehmann, dão-nos os meios para explorarmos com a nossa mente onde nunca visitaremos pessoalmente.

• Este artigo apareceu pela primeira vez na edição 304 da BBC Focus