Os investigadores mostraram que para o núcleo ter começado a cristalizar, ele precisaria ser composto por 3,8% de carbono. Esse resultado sugere que o carbono pode estar presente em quantidades maiores no núcleo da Terra do que se pensava anteriormente, e que esse elemento pode ter desempenhado um papel crucial no processo de solidificação, oferecendo uma visão rara dos acontecimentos que ocorrem no coração do nosso planeta.

O núcleo interno da Terra, uma massa sólida rica em ferro no centro do nosso planeta, está crescendo lentamente à medida que o núcleo externo fundido esfria e se cristaliza. No entanto, esse processo tem sido objeto de debate entre os cientistas durante décadas.

A formação do núcleo interno não se resume a determinar quando o núcleo esfriou até seu ponto de congelamento, mas envolve também o processo de cristalização que depende da composição química exata do núcleo. Assim como gotículas de água em nuvens, que podem esfriar a -30 °C antes de se transformarem em granizo, o ferro fundido deve ser resfriado abaixo de seu ponto de fusão antes de poder congelar.

Cálculos anteriores sugeriram que seriam necessários de 800 a 1000 °C de resfriamento para iniciar o congelamento do núcleo se ele fosse composto por ferro puro.

No entanto, se o núcleo for resfriado a tal ponto, os pesquisadores demonstraram que o núcleo interno cresceria significativamente, e o campo magnético da Terra falharia. Mas nenhum desses resultados ocorreu ao longo da história do nosso planeta. Em vez disso, os cientistas acreditam que, no passado, o núcleo poderia ter esfriado a no máximo cerca de 250 ^°C abaixo de seu ponto de fusão.

Esta nova pesquisa visava entender como o núcleo interno existe atualmente com tão pouco resfriamento no passado. Sem acesso direto ao interior profundo da Terra, a equipe de pesquisa teve que se apoiar em simulações por computador do processo de congelamento.

Eles analisaram a presença de outros elementos, especificamente silício, enxofre, oxigênio e carbono, e como estes poderiam afetar o processo de congelamento.

“Cada um desses elementos está presente no manto superior e, portanto, poderia ter se dissolvido no núcleo ao longo da história da Terra,” explicou o coautor Professor Associado Andrew Walker (Departamento de Ciências da Terra, Universidade de Oxford). “Consequentemente, isso pode explicar por que temos um núcleo interno sólido com relativamente pouco resfriamento a essa profundidade. A presença de um ou mais desses elementos também poderia explicar por que o núcleo é menos denso do que o ferro puro, uma observação fundamental da sismologia.”

Utilizando simulações computacionais em escala atômica de cerca de 100.000 átomos em temperaturas e pressões super resfriadas equivalentes às do núcleo interno, a equipe de pesquisa monitorou com que frequência pequenos aglomerados de átomos semelhantes a cristais se formavam a partir de um líquido. Esses eventos de “nucleação” são os primeiros passos em direção ao congelamento.

O que eles descobriram foi surpreendente: silício e enxofre, elementos frequentemente assumidos como presentes no núcleo, na verdade retardam o processo de congelamento. Em outras palavras, mais resfriamento seria necessário para iniciar a formação do núcleo interno se esses elementos fossem abundantes nessa parte da Terra.

Por outro lado, descobriram que o carbono ajudava a acelerar o congelamento nas simulações.

No estudo, os pesquisadores testaram quanto resfriamento seria necessário para congelar o núcleo interno se 2,4% da massa do núcleo fosse composta por carbono. O resultado foi cerca de 420 ^°C, ainda alto, mas o mais próximo da viabilidade até agora.

Entretanto, quando extrapolaram seus resultados para um caso em que 3,8% da massa do núcleo é carbono, o resfriamento necessário caiu para 266 ^°C. Esta é a única composição conhecida que poderia explicar tanto a nucleação quanto o tamanho observado do núcleo interno.

Esse resultado indica que o carbono pode ser mais abundante no núcleo da Terra do que se pensava anteriormente e que, sem esse elemento, a formação de um núcleo interno sólido pode nunca ter ocorrido.

Os experimentos também demonstram que o congelamento do núcleo interno foi possível com a química exatamente certa e, ao contrário da água ao formar granizo, ocorreu sem “sementes de nucleação,” partículas minúsculas que ajudam a iniciar o congelamento. Isso é fundamental, pois, quando testadas em simulações anteriores, todas as candidatas a sementes de nucleação no núcleo derretendo ou se dissolveram.

O autor principal Dr. Alfred Wilson (Escola de Terra e Meio Ambiente, Universidade de Leeds) comentou: “É emocionante ver como processos em escala atômica controlam a estrutura e a dinâmica fundamentais do nosso planeta. Ao estudar como o núcleo interno da Terra se formou, não estamos apenas aprendendo sobre o passado do nosso planeta, mas também obtendo uma visão rara da química de uma região que nunca poderemos alcançar diretamente e aprendendo sobre como ela poderia mudar no futuro.”

Os cientistas têm debatido quando o núcleo interno começou a se solidificar por décadas, com alguns argumentando a favor de um núcleo interno antigo (com congelamento iniciado há mais de dois bilhões de anos) e outros sugerindo uma idade muito mais jovem (menos de meio bilhão de anos). Com essas novas informações sobre o conteúdo de carbono do núcleo, estamos um passo mais perto de restringir sua química e propriedades físicas e, portanto, sua evolução.

O trabalho foi financiado pelo Natural Environment Research Council (NERC).