First-Principles Calculation of FE1-X SX Liquid Alloys at Conditions of Earth’s Outer Core
Este estudo utiliza cálculos de primeiros princípios para caracterizar as propriedades estruturais, dinâmicas e termodinâmicas de ligas de Fe-S líquidas sob as condições do núcleo externo da Terra, revelando que, embora concentrações de enxofre entre 10,2 e 11,4 % em massa possam explicar a densidade do núcleo, elas falham em explicar sua velocidade do som, indicando, assim, que o enxofre sozinho não pode ser o único elemento leve presente.
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Profundamente sob nossos pés, escondido da visão direta, jaz um oceano revolto de metal que impulsiona o campo magnético da Terra e molda o calor interno do planeta. Este é o núcleo externo, uma camada de ferro líquido que se estende desde o limite com o núcleo interno sólido até o manto acima. Embora não possamos perfurar esta região, os sismólogos podem ouvir as vibrações da Terra enquanto elas viajam através dela, de forma muito semelhante a como um médico usa ondas sonoras para ver o interior de um corpo. Essas medições revelam que o núcleo líquido é menos denso do que o ferro puro seria nessas profundidades esmagadoras, sugerindo que está misturado com elementos mais leves. Durante décadas, cientistas debateram qual destes elementos mais leves — talvez oxigênio, silício ou enxofre — é o ingrediente principal nesta sopa cósmica. Compreender a receita exata é crucial porque a densidade e a velocidade do som através do núcleo nos dizem como a Terra gera seu escudo magnético e como ela se resfriou ao longo de bilhões de anos.
Uma equipe de pesquisadores voltou-se agora para simulações computacionais poderosas para resolver uma peça deste quebra-cabeça, focando especificamente no enxofre. Usando um método que calcula o comportamento dos átomos a partir das leis fundamentais da física, eles modelaram ferro líquido misturado com quantidades variadas de enxofre sob as condições extremas de pressão e temperatura encontradas no núcleo externo. Em vez de depender de experimentos físicos que são incrivelmente difíceis de realizar em tais profundidades, eles construíram um laboratório virtual onde podiam observar como os átomos de ferro e enxofre se movem, se ligam e interagem. Eles testaram misturas que variavam desde ferro puro até quase quinze por cento de enxofre em peso, observando como essas mudanças afetavam a densidade do material e a velocidade com que o som viajaria através dele.
As simulações revelaram que, à medida que o enxofre é adicionado ao ferro líquido, os átomos se rearranjam. Os átomos de enxofre, sendo menores e mais leves, formam ligações mais apertadas com o ferro, puxando a distância média entre os átomos para mais perto. Essa mudança estrutural tem um efeito claro nas propriedades do material: a densidade da mistura cai, enquanto a velocidade com que o som viaja através dela aumenta. Os pesquisadores descobriram que a pressão desempenha um papel muito maior na mudança dessas propriedades do que a quantidade de enxofre, mas o conteúdo de enxofre ainda deixa uma impressão digital distinta. Ao comparar seus resultados simulados com os dados sísmicos do mundo real do núcleo da Terra, eles foram capazes de restringir a possível quantidade de enxofre presente.
O estudo sugere que, se o enxofre fosse o único elemento leve misturado no núcleo, ele precisaria compor entre aproximadamente dez e onze por cento da liga em peso para corresponder à densidade observada. Essa concentração específica se ajusta às medições sísmicas de quão pesado é o núcleo. No entanto, um problema significativo surge quando os pesquisadores observam a velocidade do som. Na mesma concentração de enxofre, as ondas sonoras simuladas viajam rápido demais em comparação ao que os sismólogos realmente medem na Terra. Os modelos indicam que, para corresponder à velocidade do som, o núcleo precisaria conter muito menos enxofre, talvez menos de nove por cento, mas essa quantidade falharia em explicar a densidade do núcleo.
Este descompasso entre a densidade e a velocidade do som leva a uma conclusão clara: o enxofre sozinho não pode explicar a composição do núcleo externo da Terra. Os dados implicam que outro elemento leve, invisível, deve estar presente ao lado do enxofre para equilibrar as equações. O trabalho dos pesquisadores fornece uma referência precisa e autossuficiente de como o ferro e o enxofre se comportam juntos sob estas condições extremas, servindo como uma base sólida para estudos futuros que provavelmente precisarão incluir um terceiro ou até mesmo um quarto elemento para resolver totalmente o mistério do coração oculto da Terra. Suas descobertas confirmam que, embora o enxofre seja um candidato provável, a verdadeira receita do núcleo do nosso planeta é mais complexa do que uma simples mistura de dois ingredientes.
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