Crédito de imagem: NASA
Geólogos da Universidade de Berkeley acreditam que o potássio radioativo pode ser uma fonte substancial de calor no núcleo da Terra. No entanto, os geólogos descobriram que o potássio pode formar uma liga pesada com ferro sob altas temperaturas e pressões; portanto, ele pode ter afundado no meio da Terra e pode formar um componente minúsculo do núcleo - mas um quinto do seu calor.
O potássio radioativo, comum o suficiente na Terra para tornar as bananas ricas em potássio um dos alimentos mais "quentes" do mercado, também parece ser uma fonte substancial de calor no núcleo da Terra, de acordo com experimentos recentes realizados por geofísicos da Universidade da Califórnia, Berkeley.
Pensa-se que o potássio radioativo, o urânio e o tório são as três principais fontes de calor no interior da Terra, além da gerada pela formação do planeta. Juntos, o calor mantém o manto agitando-se ativamente e o núcleo gerando um campo magnético protetor.
Mas os geofísicos encontraram muito menos potássio na crosta e no manto da Terra do que seria esperado com base na composição de meteoros rochosos que supostamente formaram a Terra. Se, como alguns propuseram, o potássio ausente reside no núcleo de ferro da Terra, como um elemento tão leve quanto o potássio chegou lá, especialmente porque o ferro e o potássio não se misturam?
Kanani Lee, que recentemente ganhou seu Ph.D. da UC Berkeley e o professor de ciências da terra e planetárias da UC Berkeley, Raymond Jeanloz, descobriram uma possível resposta. Eles mostraram que, com as altas pressões e temperaturas no interior da Terra, o potássio pode formar uma liga com ferro nunca antes observado. Durante a formação do planeta, essa liga de potássio-ferro pode ter afundado até o núcleo, esgotando o potássio no manto e na crosta sobrejacentes e fornecendo uma fonte de calor de potássio radioativo além da fornecida por urânio e tório no núcleo.
Lee criou a nova liga apertando ferro e potássio entre as pontas de dois diamantes a temperaturas e pressões características de 600-700 quilômetros abaixo da superfície - 2.500 graus Celsius e quase 4 milhões de libras por polegada quadrada, ou um quarto de milhão de vezes atmosférico pressão.
"Nossas novas descobertas indicam que o núcleo pode conter até 1.200 partes por milhão de potássio - apenas mais de um décimo de um por cento", disse Lee. “Essa quantidade pode parecer pequena e é comparável à concentração de potássio radioativo naturalmente presente nas bananas. Combinado sobre toda a massa do núcleo da Terra, no entanto, pode ser suficiente para fornecer um quinto do calor liberado pela Terra. "
Lee e Jeanloz relatarão suas descobertas em 10 de dezembro, na reunião da American Geophysical Union em San Francisco, e em um artigo aceito para publicação na Geophysical Research Letters.
“Com um experimento, Lee e Jeanloz demonstraram que o potássio pode ser uma importante fonte de calor para o geodinâmico, fornecendo uma saída para alguns aspectos problemáticos da evolução térmica do núcleo, além de demonstrar que a física mineral computacional moderna não apenas complementa o trabalho experimental, mas também que ele pode orientar explorações experimentais frutíferas ”, disse Mark Bukowinski, professor de ciências da terra e planetárias da UC Berkeley, que previu a liga incomum em meados da década de 1970.
O geofísico Bruce Buffett, da Universidade de Chicago, adverte que mais experimentos precisam ser feitos para mostrar que o ferro pode realmente puxar o potássio das rochas de silicato que dominam o manto da Terra.
"Eles provaram que seria possível dissolver potássio em ferro líquido", disse Buffet. “Os modeladores precisam de calor, então essa é uma fonte, porque o isótopo radiogênico do potássio pode produzir calor e isso pode ajudar a convectar a energia no núcleo e impulsionar o campo magnético. Eles provaram que poderia entrar. O importante é quanto é extraído do silicato. Ainda há trabalho a ser feito "
Se uma quantidade significativa de potássio reside no núcleo da Terra, isso esclareceria uma questão persistente - por que a proporção de potássio e urânio em meteoritos pedregosos (condritos), que presumivelmente se fundiram para formar a Terra, é oito vezes maior do que o observado proporção na crosta terrestre. Embora alguns geólogos tenham afirmado que o potássio desaparecido reside no núcleo, não havia mecanismo pelo qual ele pudesse atingir o núcleo. Outros elementos, como oxigênio e carbono, formam compostos ou ligas de ferro e, presumivelmente, foram arrastados pelo ferro à medida que afundavam no núcleo. Mas a temperatura e pressão normais, o potássio não se associa ao ferro.
Outros argumentaram que o potássio desaparecido desapareceu durante o estágio inicial e derretido da evolução da Terra.
A demonstração de Lee e Jeanloz de que o potássio pode se dissolver no ferro para formar uma liga fornece uma explicação para o potássio ausente.
"No início da história da Terra, a temperatura e a pressão interiores não teriam sido altas o suficiente para fazer esta liga", disse Lee. "Mas, à medida que mais e mais meteoritos se acumulavam, a pressão e a temperatura aumentariam até o ponto em que essa liga poderia se formar".
A existência dessa liga de alta pressão foi prevista por Bukowinski em meados da década de 1970. Usando argumentos da mecânica quântica, ele sugeriu que a alta pressão comprimiria o elétron externo solitário do potássio em uma concha mais baixa, fazendo o átomo se assemelhar ao ferro e, portanto, mais propenso a se ligar ao ferro.
Cálculos mecânicos quânticos mais recentes, usando técnicas aprimoradas, conduzidos com Gerd Steinle-Neumann, no Bayerisches Geoinstitit da Universit´t Bayreuth, confirmaram as novas medições experimentais.
"Isso realmente replica e verifica os cálculos anteriores há 26 anos e fornece uma explicação física para nossos resultados experimentais", disse Jeanloz.
Pensa-se que a Terra se formou a partir da colisão de muitos asteróides rochosos, talvez centenas de quilômetros de diâmetro, no início do sistema solar. À medida que a proto-Terra aumentava gradualmente, as contínuas colisões de asteróides e o colapso gravitacional mantinham o planeta derretido. Elementos mais pesados? em particular o ferro - teria afundado até o núcleo em 10 a 100 milhões de anos, carregando outros elementos que se ligam ao ferro.
Gradualmente, no entanto, a Terra teria esfriado e se tornado um globo rochoso morto com uma bola de ferro frio no centro, se não fosse pela liberação contínua de calor pela decomposição de elementos radioativos como potássio-40, urânio-238 e tório-232 , que têm meias-vidas de 1,25 bilhão, 4 bilhões e 14 bilhões de anos, respectivamente. Cerca de um em cada mil átomos de potássio é radioativo.
O calor gerado no núcleo transforma o ferro em um dínamo convectivo que mantém um campo magnético forte o suficiente para proteger o planeta dos ventos solares. Esse calor vaza para o manto, causando convecção na rocha que move placas da crosta e alimenta vulcões.
Equilibrar o calor gerado no núcleo com as concentrações conhecidas de isótopos radiogênicos tem sido difícil, no entanto, e a falta de potássio tem sido uma grande parte do problema. Um pesquisador propôs no início deste ano que o enxofre poderia ajudar o potássio a se associar ao ferro e fornecer um meio pelo qual o potássio pudesse atingir o núcleo.
O experimento de Lee e Jeanloz mostra que o enxofre não é necessário. Lee combinou ferro puro e potássio puro em uma célula de bigorna de diamante e espremeu a pequena amostra a 26 gigapascals de pressão enquanto aquecia a amostra com um laser acima de 2.500 Kelvin (4.000 graus Fahrenheit), que está acima dos pontos de fusão de potássio e ferro. Ela conduziu esse experimento seis vezes nos feixes de raios X de alta intensidade de dois aceleradores diferentes - a Fonte de Luz Avançada do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e o Laboratório de Radiação Síncrotron de Stanford - para obter imagens de difração de raios X da estrutura interna das amostras. As imagens confirmaram que o potássio e o ferro se misturaram uniformemente para formar uma liga, assim como o ferro e o carbono se misturam para formar a liga de aço.
No oceano teórico de magma de uma proto-Terra, a pressão a uma profundidade de 400 a 1.000 quilômetros (270-670 milhas) estaria entre 15 e 35 gigapascais e a temperatura seria de 2.200 a 3.000 Kelvin, disse Jeanloz.
"A essas temperaturas e pressões, a física subjacente muda e a densidade de elétrons muda, fazendo com que o potássio pareça mais com o ferro", disse Jeanloz. "Em alta pressão, a tabela periódica parece totalmente diferente."
"O trabalho de Lee e Jeanloz fornece a primeira prova de que o potássio é de fato miscível em ferro a altas pressões e, talvez de maneira significativa, justifica ainda mais a física computacional subjacente à previsão original", disse Bukowinski. “Se for possível demonstrar ainda que o potássio entraria no ferro em quantidades significativas na presença de minerais de silicato, condições representativas de prováveis processos de formação de núcleos, o potássio poderia fornecer o calor extra necessário para explicar por que o núcleo interno da Terra não congelou. tamanho tão grande quanto a história térmica do núcleo sugere. "
Jeanloz está empolgado com o fato de que os cálculos teóricos agora não estão apenas explicando descobertas experimentais a alta pressão, mas também prevendo estruturas.
"Precisamos de teóricos para identificar problemas interessantes, não apenas verificar nossos resultados após o experimento", disse ele. "Isso está acontecendo agora. Nos últimos meia dúzia de anos, os teóricos têm feito previsões que os experimentalistas estão dispostos a gastar alguns anos para demonstrar. ”
O trabalho foi financiado pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia.
Fonte original: Comunicado de imprensa da Universidade de Berkeley
