Reações químicas na Terra primitiva podem ter moldado seu oceano – Ars Technica

A água fez da Terra o que é – um planeta conhecido por seus oceanos azuis. A água forma a Terra através da erosão e é essencial para a capacidade da Terra de sustentar a vida. Mas temos dificuldade em entender como a Terra acabou com toda essa água, já que os blocos de construção que a criaram provavelmente secaram, e as colisões que transformaram esses blocos de construção em um planeta deveriam ter empurrado qualquer água da superfície para o espaço. .

Vários meios de fornecer água à Terra após sua formação foram propostos. Mas um novo estudo pega as informações coletadas do exame de exoplanetas e as aplica à Terra. Os resultados indicam que as reações químicas que teriam ocorrido durante a formação da Terra teriam produzido água suficiente para encher os oceanos do mundo. E como benefício colateral, o modelo explica a densidade um tanto estranha do núcleo da Terra.

à prova d’água

A Terra parece ter sido criada principalmente a partir de materiais do sistema solar interno. Não apenas esse material estava no lugar certo, mas o material dos asteroides da região fornecia uma boa correspondência em termos de composição elementar e isotópica. Mas este material também é muito seco. Isso não é surpresa. As temperaturas nesta região teriam evitado que a água se condensasse em um sólido, como pode existir no sistema solar, além de um ponto conhecido como “linha de gelo” da água.

Qualquer água no espaço teria sido perdida, pois acredita-se que o processo de construção do planeta ocorreu por colisões entre corpos pequenos, com corpos maiores crescendo gradualmente à medida que corpos menores continuaram a colidir com eles. Grande parte da água nesses objetos evaporaria e possivelmente se perderia no espaço.

Mas três pesquisadores (Edward Young, Anat Shahar e Hilke Schlichting) focaram em um fator adicional que poderia ter estado presente durante a formação do sistema solar: o hidrogênio. Acredita-se que o hidrogênio esteja presente em grandes quantidades durante o período inicial da formação do planeta, mas é expulso pela radiação liberada quando a estrela central entra em ignição. Em nosso sistema solar, parte dele foi capturado pelos planetas externos antes de ser perdido. Mas nossos planetas internos parecem ter se formado com pouco ou nenhum elemento no início de sua história.

Mas uma olhada nos exoplanetas sugere que este não é um destino inevitável. Encontramos vários planetas superrochosos que também parecem não ter atmosferas ricas em hidrogênio. Mas há uma lacuna com cerca de duas vezes o raio da Terra, onde vemos muito jovem Netuno, que parece ter retido uma atmosfera espessa, provavelmente rica em hidrogênio. Isso levou à sugestão de que todos os planetas rochosos começam em um ambiente rico em hidrogênio e formam suas primeiras atmosferas a partir disso. Mas abaixo de um certo tamanho, esse hidrogênio é perdido posteriormente em sua história. Quaisquer atmosferas presentes nesses planetas são provavelmente o resultado de formação secundária.

Levando isso à sua conclusão lógica, a Terra também pode ter começado com uma atmosfera rica em hidrogênio. Portanto, os pesquisadores envolvidos no novo estudo decidiram analisar quais poderiam ser as consequências desse cenário.

química planetária

Para explorar essa ideia, os pesquisadores modelaram essencialmente um reator químico gigante preenchido com a maioria dos componentes da Terra primitiva e expandido para o tamanho de um grande precursor da Terra (metade do tamanho da Terra atual). Isso inclui coisas como óxidos de ferro, sódio, vários silicatos, dióxido de carbono, metano, oxigênio e muito mais. Tudo isso foi colocado sob uma atmosfera rica em hidrogênio e aquecido para refletir oceanos de magma das repetidas colisões que ocorreram durante a formação do planeta.

Este período provavelmente durou dezenas de milhões de anos, em parte porque as atmosferas de hidrogênio tendem a reter muito bem o calor (elas podem atuar como um gás de efeito estufa). Isso dá às reações químicas que ocorrem – 18 das quais os pesquisadores rastrearam – tempo para atingir o equilíbrio e tempo suficiente para que os diferentes materiais no interior do planeta se dividam com base na densidade.

Uma das coisas que acontece é que muitos elementos são incorporados ao núcleo de ferro, incluindo oxigênio, silício e hidrogênio. Como todos eles são menos densos que o ferro, isso tem o efeito de tornar o núcleo menos denso do que seria se fosse ferro puro – o que é verdade na Terra real.

Em algumas reações, a fusão do hidrogênio envolve o deslocamento do oxigênio, e o subproduto dessas reações é a água. Nas condições exploradas aqui, as reações produzem o mesmo volume encontrado nos oceanos atuais da Terra. “Mesmo que as rochas no sistema solar interno estejam completamente secas”, escreveram os pesquisadores, as reações entre H.₂ A atmosfera e os oceanos de magma irão gerar quantidades abundantes de H₂O. Outras fontes de H₂O é possível, mas não obrigatório.

limites de modelagem

No lado positivo, a simulação funciona com uma ampla faixa de temperaturas — basta calor suficiente para manter o planeta derretendo enquanto os processos descritos aqui atingem o equilíbrio. Ele também funciona para diferentes tamanhos de precursores, mas falha se o precursor for muito pequeno. Isso corresponde à secura extrema de Marte e Mercúrio. A variável primária termina com a quantidade de água produzida; Se mais hidrogênio acabasse no núcleo, poderia facilmente criar um mundo aquático três vezes o tamanho dos oceanos de hoje.

Embora o modelo seja robusto a muitas mudanças nas condições iniciais, ele é limitado por não ser uma imagem completa da química da Terra primitiva. Vale a pena notar que o enxofre e o nitrogênio desempenharam papéis importantes na química da Terra.

Mas a grande lacuna no modelo é o que acontece depois que a água se forma. Como existe um oceano de magma, ele acabará na atmosfera, onde pode ser separado pela radiação solar e perdido se o hidrogênio no sistema solar realmente se dissipar. O mesmo se aplica a quaisquer efeitos posteriores que aqueceram o planeta, como o impacto gigante que moldou a lua. Se ainda houver hidrogênio suficiente, isso não é um problema porque a água pode consertá-lo. Os pesquisadores citam pesquisas mostrando que uma atmosfera rica em água poderia sobreviver até mesmo a um impacto massivo. Finalmente, você pode imaginar condições nas quais um excesso inicial de água foi produzido, mas o suficiente foi perdido por meio desses processos para deixar a Terra em seu estado atual.

Assim, embora a produção de água não exija um ajuste fino das condições, retê-la pode.

Mas as implicações para mundos fora do nosso parecem um pouco maiores. Esses resultados indicam que uma ampla gama de condições iniciais deve ter produzido água durante a formação dos planetas rochosos. Portanto, quando pensamos em planetas em exossistemas, pode ser mais questionável perguntar se eles experimentaram condições que os teriam causado a perda de água do que perguntar se eles poderiam ter tido alguma em primeiro lugar.

Natureza, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05823-0 (sobre DOIs).