Pesquisadores encontraram duas estruturas no interior da Terra que derrubam nossa imagem do manto.

Pesquisadores que examinam o interior da Terra encontraram duas estruturas do tamanho de um continente.

As bolhas ficam no topo do núcleo externo. Crédito da imagem: Sanne.cottaar 

O que sua existência poderia significar para nós na superfície da Terra?

Cerca de 2.000 quilômetros abaixo de nossos pés, há enormes massas de manto quente que confundiram os cientistas nas últimas 4 décadas.

As "bolhas", como alguns cientistas chamam, são a extensão dos continentes e se estendem 100 vezes mais que o Monte Everest. Eles estão no fundo do manto rochoso da Terra acima do núcleo externo derretido, um lugar tão profundo que os elementos da Terra são espremidos além do reconhecimento. As bolhas são feitas de rocha, assim como o resto do manto, mas podem ser mais quentes e mais pesadas e conter a chave para desvendar a história do passado da Terra.

Os cientistas descobriram pela primeira vez as bolhas no final dos anos 70. 

Os pesquisadores acabaram de inventar uma nova maneira de olhar dentro da Terra: a tomografia sísmica. Quando um terremoto sacode o planeta, ele libera ondas de energia em todas as direções. Os cientistas rastreiam essas ondas quando chegam à superfície e calculam de onde vieram. Ao olhar para o tempo de viagem das ondas de muitos terremotos, tirados de milhares de instrumentos em todo o mundo, os cientistas podem reverter a engenharia de uma imagem do interior da Terra. O processo é semelhante a um médico usando um aparelho de ultra-som para visualizar um feto no útero.

"Em última análise, muitas pessoas acreditam que as placas tectônicas são uma das razões pelas quais temos vida na Terra", disse a geofísica Harriet Lau, da Universidade de Harvard. Os cientistas acreditam que essas bolhas desempenham um papel em muitos dos processos da Terra profunda, incluindo a tectônica de placas e o vulcanismo.

Quando os pesquisadores começaram a formar uma imagem da Terra interior, começaram a ver coisas que nunca imaginaram.

“Ficou muito claro naqueles modelos desde o princípio que na parte inferior do manto da Terra, quase a meio caminho do centro, havia essas enormes zonas onde as ondas viajavam mais lentamente”, disse Ed Garnero, professor de Terra e exploração espacial. na Universidade Estadual do Arizona.

As zonas de velocidade das ondas lentas estão concentradas em dois locais: uma fica sob o Oceano Pacífico e a outra fica sob a África e parte do Oceano Atlântico. Eles pareciam “montanhas enormes no limite do manto central”, disse o sismólogo Sanne Cottaar, da Universidade de Cambridge. Outros pesquisadores os descrevem como poços cônicos de cascalho "todos em cima uns dos outros" ou como pilhas de areia gigantes. As bolhas são tão grandes que, se estivessem na superfície da Terra, a Estação Espacial Internacional precisaria navegar ao redor delas.

Há pouca dúvida de que as bolhas existem, mas os cientistas não têm ideia do que são. Um artigo recente disse que as bolhas "permanecem enigmáticas". Os cientistas não conseguem nem decidir como chamá-las. Eles vão por muitos nomes, mais comumente LLSVP, que significa grandes províncias de baixa velocidade de cisalhamento.

Como nuvens, vistas (a) Norte e (b) Pólos do Sul. As estruturas de dois tons têm as mesmas formas de blob com base em concordância de cinco modelos diferentes (marrom) e três diferentes modelos (tan). Crédito: Cottaar e Lekic, 2016, https://doi.org/10.1093/gji/ggw324

Parte da razão para este mistério é o que os cientistas da Terra sempre lutaram: eles nunca poderão visitar o interior da Terra. "Nós sabemos menos sobre o que está abaixo dos nossos pés do que a superfície do Sol, da Lua ou de Marte", disse Paula Koelemeijer, pesquisadora do University College London. Os cientistas estão constantemente tentando encontrar novas maneiras de espiar dentro da Terra indiretamente.

Felizmente, os avanços tecnológicos na detecção de oscilações minúsculas dentro da Terra, bem como os esforços para equipar mais locais com instrumentos, têm impulsionado o campo para frente. Vários estudos recentes em técnicas de ponta estão trazendo novos insights para a mesa.

Denso ou o que?

Não saber a densidade da bolha deixa muitas "portas abertas". O mistério da maioria das bolhas depende de identificar de que são feitas. A maioria das leituras sísmicas não pode determinar a densidade do material porque as mudanças na velocidade da onda dependem de múltiplos fatores, como a composição das rochas. Não saber a densidade deixa muitas "portas abertas", disse o físico mineral Dan Shim, da Universidade Estadual do Arizona.

Shim tem visto o debate sobre o furor do material desde que ele era um estudante de pós-graduação nos anos 90. "Eu assisti toda essa controvérsia ao longo da minha carreira", disse ele. Os pesquisadores discutiram se as massas são feitas de densas pilhas de pedras quimicamente únicas ou plumas de lâmpadas de lava que se dirigem para a crosta acima.

Os pesquisadores especulam que as bolhas podem alimentar vulcões de pontos quentes, que formam cadeias de ilhas oceânicas como o Havaí. E outros cientistas se perguntam se as bolhas poderiam ter alimentado supervulcões no passado, contribuindo potencialmente para os maiores eventos de extinção da Terra. Mas Shim disse que até a densidade das bolhas ser entendida, "não podemos ir para o próximo nível de perguntas".

Foto: Tom Pfeiffer

Dois estudos recentes, que encontraram uma maneira de medir a densidade sem métodos sísmicos tradicionais, sugerem uma visão mais complexa do que antes.

Terra fazendo a onda

Enquanto o Sol e a Lua puxam a Terra, todo o planeta se flexiona e se estende. Duas vezes por dia, a crosta terrestre sobe e desce com as marés. Embora estejamos mais familiarizados com as marés do oceano, a Terra sólida experimenta as mesmas forças que nossos oceanos. Enquanto o Sol e a Lua puxam a Terra, todo o planeta se flexiona e se estica. Em alguns lugares, a superfície da Terra sobe e desce até 40 centímetros.

Os cientistas podem rastrear esse movimento usando medições de GPS altamente sensíveis. Um grupo de pesquisadores liderado por Linguo Yuan na Academia Sinica em Taiwan analisou medições de estações de GPS em todo o mundo ao longo de 16 anos e descobriu que a maré da Terra não era o que eles esperavam: parecia estar fora de onde as bolhas estavam localizado. As marés, escreveram em seu artigo de 2013, “fornecem informações significativas sobre o interior mais profundo da Terra sólida”.

“Acontece que as marés do corpo, ou marés sólidas da Terra, são muito sensíveis à estrutura de densidade.” Harriet Lau, pesquisadora de pós-doutorado da Universidade de Harvard, ouviu falar do trabalho de Yuan e viu uma oportunidade com o conjunto de dados global. "Acontece que marés do corpo, ou marés sólidas da Terra, são muito sensíveis à estrutura de densidade", disse ela. Essas marés poderiam preencher a lacuna de conhecimento que as ondas viajantes usadas na tomografia sísmica não conseguiam.

Lau criou dezenas de modelos para explicar as marés terrestres distorcidas e os comparou com os dados de Yuan. Ela descobriu que os modelos que se ajustavam melhor aos dados do mundo real eram aqueles com bolhas mais densas do que o manto ao redor. Estas descobertas, publicadas na Nature em 2017, argumentam que as bolhas têm algum tipo de “diferenças de composição” do que o resto do manto.

Enquanto isso, outro estudo sugeriu o oposto do que o estudo de Lau encontrou.

Paula Koelemeijer começou a estudar as oscilações do modo normal como estudante de pós-graduação em 2008. “Na época, poucas pessoas as usavam”, disse ela, apesar de serem uma “maneira muito poderosa de pensar sobre a Terra”. Modos normais revelam detalhes que os métodos sísmicos mais convencionais perdem, mas são “difíceis de desenvolver uma intuição”, disse ela.

"É um sino que foi atingido e está vibrando como um todo." Muitos sismólogos analisam as ondas que saem da Terra, mas nem todas as ondas agem da mesma forma. As imagens que mapeiam o interior da Terra usam o que chamamos de ondas do corpo. Semelhante a ondas sonoras que viajam pela atmosfera da boca de uma pessoa até o ouvido de outra pessoa, essas ondas viajam pela Terra de um lugar para o outro.

Mas existem certos tipos de ondas que não viajam tanto quanto vibram. Esse tipo de onda é chamado de onda estacionária e é o tipo que estremece uma corda de violino. "Quando você está pensando em uma onda estacionária, você está olhando para toda a ressonância ao mesmo tempo", disse Koelemeijer. "Tipo, é um sino que foi atingido e está vibrando como um todo." Os terremotos ativam os dois tipos de ondas e os sismógrafos os detectam na superfície.

No recente estudo de Koelemeijer, ela escolheu um tipo de modos normais chamados modos Stoneley que vibram dependendo da densidade dos blobs. Sua equipe analisou registros do movimento do solo nos dias seguintes a terremotos de grande magnitude, procurando as vibrações de baixa frequência das ondas estacionárias. Comparando seus resultados com os modelos, eles descobriram que as bolhas devem ser menos densas do que o manto circundante para explicar várias restrições, como a forma do núcleo.

"Eu não estou realmente preocupado com essa aparente contradição." Quando perguntados sobre como os dois estudos se reconciliam, os pesquisadores sugeriram que os dois artigos poderiam estar corretos.

“Uma maneira de talvez reconciliar Harriet Lau e meu trabalho é que esse material denso não é distribuído em uma faixa de profundidade muito grande”, explicou Koelemeijer. Talvez as bolhas sejam mais densas em uma lasca ao lado do núcleo, um detalhe que Koelemeijer não pôde descartar em sua análise. Lau repetiu essa sugestão. "Eu não estou realmente preocupado com essa aparente contradição", disse ela. Os resultados simplesmente os ajudam a "refinar" suas conclusões, disse ela.

O que está abaixo? Um recorte da Terra até o núcleo líquido mostra a rocha do manto em espiral (azul escuro). Feita a partir de um modelo de convecção numérica, a imagem mostra estruturas misteriosas sob o Oceano Pacífico, que alguns pesquisadores acreditam ter a chave para revelar os mistérios do passado da Terra (azul claro). Crédito: Mingming Li / Arizona State University

 3-D

As bolhas receberam seu apelido em parte por causa de sua forma suave e parecida com os mapas de tomografia sísmica. Mas e se a estrutura deles fosse realmente mais delicada? Quando a esposa do sismólogo Ed Garnero estava grávida de gêmeos em 2002, ele se lembra de ter ido ao médico fazer um ultrassom. Apesar da nova tecnologia de imagem 3-D, ele disse que as imagens de baixa resolução na tela são desanimadoras. “Parecia que os cérebros estavam flutuando para o lado. Foi muito estranho ”, disse ele.

Na tomografia sísmica, os pesquisadores lidam com problemas semelhantes. As bolhas receberam seu apelido em parte por causa de sua forma suave e parecida com os mapas de tomografia sísmica. Mas e se a estrutura deles fosse realmente mais delicada? E o conhecimento da forma das gotas ajudaria melhor os pesquisadores a restringir sua densidade?

Em dezembro passado, a estudante de doutorado Maria Tsekhmistrenko, da Universidade de Oxford, apresentou algumas das imagens mais reveladoras das estruturas até o momento. Em uma sessão no Encontro de Outono da AGU, Tsekhmistrenko mostrou seus mapas de tomografia sísmica de cerca de metade do blob sob a África. As imagens vêm de um extenso projeto de sismógrafo que implantou sensores no fundo do oceano ao redor de Madagascar.

Usando uma coleção de diferentes tipos de ondas, Tsekhmistrenko revelou os lados irregulares e angulados da bolha e suas plumas acima dela, mostrando muito pouco da suavidade sugerida pelos mapas tomográficos anteriores. Tomados em conjunto, toda a estrutura parece uma árvore que se ramifica para vulcões de locais quentes na superfície, disse Karin Sigloch, conselheira de Tsekhmistrenko.

Imagem de tomografia sísmica de uma parte da mancha africana e das plumas do manto que saem dela (esquerda). O blob, chamado LLSVP, fica na base do manto, e as regiões de velocidade de onda lenta acima do blob podem indicar plumas ou ressurgência. Uma imagem simplificada das estruturas é mostrada à direita. Crédito: Maria Tsekhmistrenko

No começo, Tsekhmistrenko disse que eles não acreditavam no que viram. "Estamos preocupados que algo estava errado com meus dados", disse ela. Então ela percebeu que eles estavam corretos, apesar de "parecer diferente do esperado".

Garnero, que assistiu à apresentação, disse que foi “a melhor apresentação de imagens de interiores da Terra que já vi na AGU”. Ele acrescentou que os cientistas que estudam o movimento da Terra interior, chamados geodinamicistas, podem estar animados para colocar as mãos Imagens de Tsekhmistrenko.

"A inclinação dessa estrutura acaba por ser extremamente importante para restringir sua densidade", disse ele. "Isso é realmente importante para os dinamistas". Tsekhmistrenko já ouviu falar de um planejamento geodinâmico para simular as estruturas em um modelo futuro.

Os cientistas estão mudando as ideias de como as plumas do manto podem parecer, através de vários exemplos na literatura. (Morgan, 1971, https://doi.org/10.1038/230042a0; Foulger et al., 2000, https://doi.org/10.1046/j.1365-246x.2000.00245.x; Torsvik et al., 2010, https://doi.org/10.1038/nature09216; French and Romanowicz, 2015, https://doi.org/10.1038/nature14876). Credit: Maria Tsekhmistrenko

Olhando para dentro

Apesar dos avanços críticos em sismologia, a busca para entender as bolhas é "um problema inerentemente interdisciplinar", disse o geólogo Ved Lekic, da Universidade de Maryland.

“Essas questões são muito românticas em alguns aspectos.” Os físicos minerais, por exemplo, medem como as ondas viajam através das rochas sob extraordinárias pressões para melhorar os modelos sismológicos. Geoquímicos vasculham a Terra para coletar pedras de vulcões, procurando pistas de reservatórios químicos únicos que poderiam estar ligados às bolhas. E os modeladores constroem intricadas teias de código para evoluir o manto ao longo de bilhões de anos, simulando como as bolhas vieram a se formar.

Qualquer que seja a resposta, espiar sob a crosta terrestre pode dar aos pesquisadores uma maneira de contemplar nossos primórdios. “Essas perguntas são muito românticas de algumas maneiras”, disse Harriet Lau. "Estou tão inspirado por questões que vão para a raiz da existência e do universo."

A Terra é o único planeta conhecido por conter placas tectônicas, e pesquisas recentes sugerem que a tectônica pode ajudar a sustentar a vida, fornecendo um fluxo constante de nutrientes, como nitrogênio e fósforo, para a superfície. E ainda os pesquisadores não têm certeza do que causa o movimento das placas tectônicas, muito menos as bolhas.

"Nós literalmente não sabemos o que eles são, de onde vieram, quanto tempo eles estão por perto, ou o que eles fazem." "Eu acho que o verdadeiro apelo filosófico e fundamental deles é o mistério deles", disse Lekic. "Eles estão entre as maiores coisas dentro da Terra e, no entanto, nós literalmente não sabemos o que são, de onde vieram, há quanto tempo eles estão por perto ou o que fazem."

Em última análise, o caminho para descobrir os mistérios pode ser longo, disse Garnero. "Esta é uma descoberta em câmera lenta, é uma coisa de comunidade", disse Garnero, que trabalhou nas bolhas nos últimos 15 anos.

Lau, que planeja estudar as bolhas ao começar sua cátedra na Universidade da Califórnia, em Berkeley, no final deste ano, disse que não está perturbada pelo mistério. "Acho que a ciência é incremental, e é por isso que, por exemplo, os resultados de Paula Koelemeijer não me perturbaram", disse ela. "Eu estava realmente mais animada do que qualquer outra coisa."

Conteúdo: EOS https://eos.org - Jenessa Duncombe (@jrdscience)
Matéria original: https://eos.org/features/the-unsolved-mystery-of-the-earth-blobs?fbclid=IwAR2Hmn47e0i0WfuOw9BOXbAX3672J0SZryGoMypgCyWz7vZAyqAdFkIcfMU

Citação: Duncombe, J. (2019), O mistério não resolvido dos blobs da Terra, Eos, 100, https://doi.org/10.1029/2019EO117193  Publicado a 27 de fevereiro de 2019.

Conteúdo: https://eos.org/features/the-unsolved-mystery-of-the-earth-blobs?fbclid=IwAR2Hmn47e0i0WfuOw9BOXbAX3672J0SZryGoMypgCyWz7vZAyqAdFkIcfMU

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