Por que a Terra tem um núcleo líquido
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Kelvinsong.
Sob a tremenda pressão e as incríveis temperaturas do interior profundo da Terra, há uma espessa camada de líquido: nosso núcleo externo. Mas por que é assim?
Se você jogar suas chaves em um rio de lava derretida, deixe-as ir, porque, cara, elas se foram. – Jack Handey
Dê uma olhada em nosso planeta natal, a Terra, e uma das coisas que você notará é que mais de 70% da superfície é revestida de água.
Crédito da imagem: NASA / Johnson Space Center / missão Apollo 17.
Todos sabemos por que isso acontece, é claro: é porque os oceanos da Terra flutuador no topo das rochas e sujeira que compõem o que conhecemos como terra.
Este conceito de flutuação e flutuabilidade - onde o menos denso os objetos se elevam acima dos mais densos, que afundam – faz muito mais do que apenas explicar os oceanos.
Crédito da imagem: Diretor de projeto IceDream, Dassault Systemes, via http://www.workingknowledge.com/blog/innovation-in-3d-ice-dream-dscc11/ .
Este mesmo princípio explica por que o gelo flutua na água, por que um balão de hélio sobe pela atmosfera ou por que as pedras afundam no fundo de um lago, sendo que a última é que a água menos densa sobe por aí a pedra. Este mesmo princípio — de flutuabilidade — Além disso explica por que a Terra está em camadas do jeito que está.
Crédito da imagem: Jean Anastasia.
O ao menos parte densa da Terra, a atmosfera, flutua sobre os oceanos aquosos, que por sua vez flutuam sobre a crosta terrestre, que fica acima do manto mais denso, que por si só não pode afundar na seção mais densa da Terra: o nucleo.
Crédito da imagem: education.com.
Idealmente, o estado mais estável em que a Terra poderia estar é aquele que estivesse perfeitamente em camadas como uma cebola, com os elementos mais densos todos em direção ao centro, com cada camada externa progressivamente composta por elementos menos densos. Na verdade, cada terremoto que ocorre na Terra é na verdade o planeta se aproximando um passo muito pequeno desse estado ideal, à medida que nossa taxa de rotação acelera levemente na sequência de cada um.
E esta imagem do nosso mundo, em camadas de densidade com camadas menos densas envolvendo as progressivamente mais densas, internas, explica a estrutura não apenas da Terra, mas todo dos planetas. Tudo o que temos a fazer é lembrar de onde vieram todos esses elementos em primeiro lugar.
Crédito da imagem: Tom Harrison da New Mexico State University, via http://astronomy.nmsu.edu/tharriso/ast110/class19.html .
Quando o Universo era muito jovem – com apenas alguns minutos de idade – praticamente os únicos elementos que existiam eram o hidrogênio e o hélio. Todos os mais pesados foram feitos em estrelas , e foi somente quando essas estrelas morreram que esses elementos pesados foram reciclado de volta para o universo , permitindo a formação de novas gerações de estrelas.
Crédito da imagem: Observatório Europeu do Sul.
Mas desta vez, uma mistura de todos esses novos elementos – não apenas hidrogênio e hélio, mas carbono, nitrogênio, oxigênio, silício, magnésio, enxofre, ferro e muito mais – forma não apenas novas estrelas, mas um disco protoplanetário por aí cada uma dessas estrelas.
A pressão externa da estrela recém-formada empurra preferencialmente os elementos mais leves para as partes externas do sistema solar, enquanto a gravidade faz com que as instabilidades no disco colapsem e formem o que se tornarão planetas.
Crédito da imagem: NASA / FUSE / Lynette Cook.
No caso do nosso Sistema Solar, os quatro mundos mais internos são os quatro planetas mais densos do nosso Sistema Solar, sendo Mercúrio composto pelos elementos mais densos. Todos os quatro foram incapazes de manter gravitacionalmente as grandes quantidades de hidrogênio e hélio com os quais se formaram, impedindo-os de se tornarem gigantes gasosos como os outros quatro planetas do nosso Sistema Solar .
Crédito da imagem: União Astronômica Internacional, via http://www.iau.org/ .
Mas os planetas externos, sendo mais massivos e mais distantes do Sol (e, portanto, recebendo menos radiação), conseguiram manter grandes quantidades desses elementos ultraleves e formaram gigantes gasosos.
Cada um desses mundos, assim como a Terra, tem – em geral – os elementos mais densos concentrados no núcleo, com os mais leves formando camadas cada vez menos densas ao seu redor.
Crédito de imagem: iStockphoto/Baris Simsek
Não deveria ser uma grande surpresa que o ferro, o elemento mais estável e o elemento mais pesado feito em grande abundância fora de supernovas , é o elemento mais abundante no núcleo da Terra. Mas isso posso surpreendê-lo ao saber que, entre o núcleo interno sólido e o manto sólido, encontra-se um camada líquida com mais de 2.000 quilômetros de espessura : o da Terra núcleo externo .
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Washiucho; Versão em inglês via Brews ohare.
Muito parecido com o chiclete nojento que sua avó costumava carregar , a Terra tem uma enorme camada líquida dentro dela, contendo uma 30 por cento da massa do nosso planeta! A maneira como sabemos que o núcleo externo é líquido é bastante brilhante: pelas ondas sísmicas produzidas por terremotos!
Crédito da imagem: Universidade Charles Sturt.
Existem dois tipos diferentes de ondas sísmicas produzidas em terremotos: a onda de compressão primária, conhecida como onda P , que funciona como um pulso através de uma mola,
Créditos de animação: Christophe Dang Ngoc Chan.
e a onda de cisalhamento secundária, conhecida como S-Wave , que se propaga como ondas na superfície do mar.
Créditos de animação: Christophe Dang Ngoc Chan.
Ambas as ondas viajam em uma concha esférica para fora de seu ponto de origem na Terra, atingindo e ondulando não apenas pela superfície perto de seu epicentro, mas por todo o mundo! As estações de monitoramento sísmico em todo o mundo estão equipadas para captar ondas P e S, mas as ondas S não viaje através do líquido ( elas está atenuado , embora), enquanto as ondas P não só Faz viajar através do líquido, eles são refratados !
Crédito da imagem: Vanessa Ezekowitz e USGS.
Como resultado disso, podemos aprender que a Terra tem um núcleo externo líquido , um manto sólido exterior a isso, e um núcleo sólido interior a ele! Então é assim que a Terra tem os elementos mais pesados e densos em seu núcleo, e como sabemos que seu núcleo externo é uma camada líquida.
Mas Por quê o núcleo externo é líquido? Como todos os elementos, se o ferro é sólido, líquido, gasoso ou outro depende tanto do pressão e temperatura do ferro.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia commons desmedido (principal), MIT (canto superior direito).
O ferro, no entanto, é muito mais complicado do que muitos elementos aos quais você pode estar acostumado. Claro, ele pode assumir uma variedade de fases sólidas cristalinas, como mostrado acima, mas não estamos interessados nessas normal pressões, mostradas nos diagramas acima. Nós estamos indo todo o caminho para dentro o núcleo da Terra , onde a pressão não é apenas algumas vezes (ou mesmo algumas centenas vezes) a pressão atmosférica a que estamos acostumados, mas sim milhões de vezes o que é ao nível do mar. Como é o diagrama de fases para pressões excessivas como essa?
A coisa maravilhosa sobre a ciência é que mesmo quando você não sabe a resposta de cabeça, as chances são de que alguém feito a pesquisa onde você pode encontrar a resposta! Nesse caso, Ahrens, Collins e Chen, 2001 tem a resposta que procuramos!
Figura 2 em seu artigo; Ahrens, Collins e Chen, 2001 .
Embora este diagrama mostre pressões tremendas - até 120 GigaPascals - é importante lembrar que nossa atmosfera tem apenas 0,0001 GigaPascal , enquanto o núcleo interno sofre pressões de uma estimativa 330-360 Gpa! A linha sólida superior representa o limite entre o ferro fundido (acima da linha) e o ferro sólido (abaixo dela). Mas observe como, bem na borda da linha sólida, é preciso um afiado para cima virar?
Com 330 GigaPascals, é preciso um tremendo temperatura, algo comparável aos encontrados em a superfície do Sol , para derreter o ferro. Essas mesmas temperaturas, no entanto, em mais baixo pressões, manterá facilmente o ferro em sua fase líquida, enquanto mais alto pressões verão o ferro formar um sólido. O que isso significa para o núcleo da Terra?
Crédito da imagem: John C. Wiley and Sons, Inc.
A temperatura mais alta - no centro da Terra - que nosso planeta atinge é um pouco menos de 6.000 Kelvin, enquanto a temperatura de fusão do ferro no limite do núcleo interno / núcleo externo é mais recentemente estimada em em torno desse valor também .
Mas aqui está o kicker: a Terra esfria com o tempo , como seu calor é irradiado para o espaço exterior mais rápido do que gera seu próprio calor a partir do decaimento radioativo. Dentro da Terra, sua temperatura interior cai, enquanto sua pressão permanece constante.
Crédito da imagem: Bruce Buffett , Natureza 485, 319-320 (17 de maio de 2012).
Em outras palavras, quando a Terra se formou, era mais quente; é muito provável que todo o núcleo já foi líquido , e à medida que continua a esfriar, o núcleo interno continua a crescer ! E enquanto isso acontece, porque o ferro sólido tem uma mais alto densidade do que o ferro líquido, a Terra se contrairá levemente, necessitando de quê?
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Katorisi .
Mais terremotos!
Portanto, o núcleo da Terra é líquido porque é quente o suficiente para derreter o ferro, mas apenas em locais onde a pressão é baixa o suficiente. À medida que a Terra continua a envelhecer e a esfriar, cada vez mais o núcleo se torna sólido e, quando isso acontece, a Terra encolhe um pouco!
Se quisermos olhar para o futuro, podemos esperar adquirir recursos como as grandes escarpas encontradas em Mercúrio!
Crédito da imagem: Walter Myers de http://www.arcadastreet.com/ .
Por ser tão pequeno, Mercúrio já esfriou e contraiu uma quantidade tremenda, e tem rachaduras de cem milhas de onde foi forçado a se contrair devido a esse resfriamento!
Então, em última análise, por que a Terra tem um núcleo líquido? Porque ainda não terminou de esfriar! E cada terremoto que você sente é a Terra chegando um pouco mais perto de seu estado final, resfriado e sólido durante todo o caminho!
(Não se preocupe, porém, o O sol vai explodir e você e todos que você conhece estarão mortos por muito tempo antes que isso aconteça!)
Uma versão anterior deste post apareceu originalmente no antigo blog Starts With A Bang em Scienceblogs.
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