Física

Estrutura interna da Terra

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A estrutura interna da Terra é constituída basicamente de três camadas. A crosta terrestre, o manto e o núcleo. Conhecer a dinâmica dos processos que condicionam a forma de nosso planeta é de certa forma conhecer a história da Terra, sua dinâmica e suas transformações.

Entenda como sabemos sobre o interior da Terra e seu magnetismo.

Esta seção estende a seção anterior usando modelos para entender o interior da Terra e suas características.

O QUE VOCÊ APRENDERÁ A FAZER

  • Compare as diferentes ondas sísmicas e compreenda como as ondas sísmicas ajudam a interpretar o interior da Terra.
  • Entenda o que é o campo magnético da Terra e de onde se origina.

A tabela a seguir resume as camadas físicas da Terra.

Camadas Físicas da Terra
CamadaComportamento FísicoEspessura
Litosferarígida, frágil em profundidades rasas5 a 200 km
Astenosferadúctil100 a 300 km
Mesosfera superioraumento rápido, não frágil e rápido da densidade com profundidade300 a 400 km
Mesosfera Inferiormais densa e mais rígida que a mesosfera superior2,300 km
Núcleo externolíquido2,300 km
Núcleo Internorígida, não quebradiça1.200 km

O campo magnético da Terra se origina no núcleo

O núcleo externo líquido é a fonte do campo magnético da Terra, como resultado de sua natureza metálica, o que significa que contém elétrons não ligados a núcleos específicos.

O calor é transferido para cima, para o manto, a partir do núcleo interno, através de células convectivas, nas quais o líquido no núcleo externo flui em padrões de looping. A combinação dos elétrons soltos e do fluxo convectivo em loop com a rotação da terra resulta em um geodínamo que produz um campo magnético.

Como o campo magnético é gerado por uma esfera de líquido de convecção e rotação dinâmicas, é instável. De vez em quando, depois de várias centenas de milhares a vários milhões de anos, o campo magnético da Terra se torna instável a ponto de ser desligado temporariamente.

Quando ele reinicia, seus pólos magnéticos norte e sul devem inevitavelmente ser revertidos, de acordo com a física dos campos magnéticos produzidos espontaneamente a partir de geodínamos. (Para comparação, o campo magnético do Sol, que também é produzido por convecção de cargas elétricas em uma esfera rotativa, torna-se magneticamente instável e inverte seu campo magnético em uma base mais regular, a cada 11 anos.)

Dado que o núcleo interno é uma esfera metálica sólida, feita principalmente de ferro e níquel, cercada inteiramente por líquido, pode ser retratada como um rolamento gigante girando em um fluido pressurizado.

Estudos detalhados de ondas de terremotos passando pelo núcleo interno encontraram evidências de que ele está girando – girando – apenas um pouco mais rápido que o resto da Terra.

Além das camadas simples

O interior da terra não está simplesmente em camadas. Algumas das camadas, particularmente a crosta e a litosfera, são altamente variáveis ​​em espessura.

Os limites entre camadas são ásperos e irregulares. Algumas camadas penetram outras camadas em determinados lugares. Variações na espessura das camadas da Terra, irregularidades nos limites das camadas e interpenetração de camadas refletem a natureza dinâmica da Terra.

Por exemplo, a litosfera penetra profundamente na mesosfera em zonas de subducção. Embora ainda seja uma questão de pesquisa e debate, há alguma evidência de que placas subducidas podem penetrar até a mesosfera inferior. Se assim for, a tectônica de placas está causando extensa mistura e troca de matéria na terra, do fundo do manto até o topo da crosta.

Como outro exemplo, pontos quentes podem ser lugares onde gases e fluidos sobem do limite do manto central, junto com o calor. Estudos de isótopos de hélio em rochas vulcânicas de ponto quente evidenciam que grande parte do hélio vem das profundezas da terra, provavelmente da mesosfera inferior.

Como nós sabemos?

Nós, seres humanos, não temos acesso prático a amostras do interior da Terra mais profundamente do que o manto superior. O núcleo da Terra é tão denso e tão profundo que é completamente inacessível.

Ao contrário de um equívoco popular, a lava não vem do núcleo da Terra. O magma e a lava provêm apenas da litosfera e da astenosfera, os 200 km superiores da espessura de 6.400 km da Terra.

Tentativas foram feitas para perfurar a crosta para alcançar o manto, sem sucesso. Dada a falta de peças reais da Terra mais profundas do que a astenosfera, como sabemos sobre as camadas internas da Terra, de que são feitas e quais são suas propriedades e processos?

Rochas ígneas e blocos de falhas

Existem duas fontes de amostras de rochas da baixa litosfera e astenosfera, rochas ígneas e blocos de falhas.

Algumas rochas ígneas contêm xenólitos, pedaços de rocha sólida que eram adjacentes ao corpo do magma, foram incorporadas ao magma e foram levadas para cima no magma. A partir de xenólitos em rochas ígneas plutônicas e vulcânicas, muitas amostras da crosta inferior e do manto superior foram identificadas e estudadas.

Outra fonte de pedaços da crosta inferior e do manto superior são zonas de falha e zonas orogênicas expostas (zonas de raízes de montanhas que foram expostas após muita elevação e erosão).

Algumas placas de rocha com faltas por impulso contêm rocha manto litosférica. Nos ofiolitos, a rocha ultramáfica da parte do manto da litosfera é um atributo definidor.

A maioria dos ofiolitos e fatias de rocha com falha de impulso que contêm partes do manto superior estão relacionadas a zonas de subducção ou a limites de placas de transformação.

Ondas sísmicas

A energia dos terremotos viaja em ondas. O estudo das ondas sísmicas é conhecido como sismologia. Os sismólogos usam as ondas sísmicas para aprender sobre terremotos e também para aprender sobre o interior da Terra.

Uma maneira engenhosa como os cientistas aprendem sobre o interior da Terra é observando as ondas do terremoto. Ondas sísmicas viajam para fora em todas as direções, de onde o solo se rompe e são apanhadas por sismógrafos em todo o mundo. Dois tipos de ondas sísmicas são mais úteis para aprender sobre o interior da Terra.

Ondas do corpo

Ondas P e S são conhecidas como ondas do corpo porque se movem através do corpo sólido da Terra. As ondas P viajam através de sólidos, líquidos e gases. As ondas S apenas se movem através dos sólidos (Figura 1). As ondas de superfície só viajam ao longo da superfície da Terra. Em um terremoto, as ondas do corpo produzem fortes sacudidas. Eles não causam tanto dano quanto as ondas de superfície.

Fotos de ondas do corpo e ondas de superfície

Figura 1. Ondas Corporais e Superficiais

As ondas são desviadas e inclinadas quando atingem o núcleo da Terra. Nenhuma onda atinge a crosta terrestre através de um arco de quarenta graus da superfície da Terra, isso é chamado de zona de sombra.

Figura 2. Como as ondas P viajam pelo interior da Terra.

  • As ondas P ( ondas primárias) são as mais rápidas, viajando a cerca de 6 a 7 quilômetros por segundo, então elas chegam primeiro no sismômetro. As ondas P movem-se em movimento tipo compressão / expansão, apertando e desqualificando materiais da Terra à medida que viajam. Isso produz uma mudança no volume do material. Ondas P dobram-se ligeiramente quando viajam de uma camada para outra. As ondas sísmicas movem-se mais rapidamente através de material mais denso ou mais rígido. Quando as ondas P encontram o núcleo externo líquido, que é menos rígido que o manto, elas diminuem a velocidade. Isso faz com que as ondas P cheguem mais tarde e mais longe do que seria esperado. O resultado é uma zona de sombra da onda P. P-ondas são apanhados no seismographs 104 o a 140 o a partir dos sismos concentrar.
  • As ondas S ( ondas secundárias) são cerca de metade da velocidade das ondas P, viajando a cerca de 3,5 km por segundo e chegam em segundo nos sismógrafos. As ondas S movem-se para cima e para baixo perpendicularmente à direção do movimento das ondas. Isso produz uma mudança na forma dos materiais da Terra pelos quais eles se movem. Apenas os sólidos resistem a uma mudança na forma, portanto as ondas S só são capazes de se propagar através dos sólidos. As ondas S não podem viajar através do líquido.

Onde as ondas sísmicas aceleram ou diminuem a velocidade, elas refratam, mudando a direção na qual elas estão viajando.

Onde as ondas sísmicas encontram um limite abrupto entre duas camadas muito diferentes, parte da energia das ondas sísmicas é refletida, retornando no mesmo ângulo que ela atingiu. As reflexões e refrações das ondas sísmicas permitem que as camadas e limites dentro da Terra sejam localizados e estudados.

Ao rastrear as ondas sísmicas, os cientistas aprenderam o que compõe o interior do planeta (figura 2).

  • As ondas P desaceleram no limite do núcleo do manto, por isso sabemos que o núcleo externo é menos rígido que o manto.
  • As ondas S desaparecem no limite do núcleo do manto, de modo que o núcleo externo é líquido.

Diagrama das ondas que viajam pela terra como descrito.

Figura 3. As letras descrevem o caminho de uma onda P individual ou onda S. Ondas viajando pelo núcleo assumem a letra K.

Esta animação mostra uma zona de sombra de onda sísmica .

Aqui estão alguns exemplos do que fomos capazes de distinguir no interior da Terra do estudo das ondas sísmicas e como elas viajam através das camadas da terra:

  1. A espessura da crosta. Esta é uma medida da espessura da crosta baseada no aumento abrupto na velocidade das ondas sísmicas que ocorre quando elas entram no manto. A fronteira entre a crosta e o manto, como inferida da mudança na velocidade das ondas P e S, é chamada de descontinuidade de Mohorovicic, nomeada em homenagem ao sismólogo croata que primeiro a discerniu; geralmente é referido simplesmente como o Moho. É principalmente a partir de ondas sísmicas que sabemos quão fina é a crosta oceânica e quão espessa é a crosta continental.
  2. A espessura da litosfera. Onde as ondas sísmicas passam da litosfera para a astenosfera, elas diminuem a velocidade. Isto é devido à menor rigidez e compressibilidade das rochas na camada abaixo da litosfera. A zona abaixo da litosfera, onde as ondas sísmicas viajam mais lentamente, é chamada zona de baixa velocidade. A zona de baixa velocidade é provavelmente coincidente com a astenosfera.
  3. O limite entre a mesosfera superior e inferior (manto superior e inferior). Isto aparece como um aumento na velocidade da onda sísmica a uma profundidade de 660 km.
  4. O limite entre o manto e o núcleo. Isto é marcado por ondas S que chegam a uma parada abrupta, presumivelmente porque o núcleo externo é líquido, e uma súbita grande redução na velocidade das ondas P, quando elas entram no núcleo líquido onde não há rigidez para contribuir para o P-. velocidade de onda.
  5. O núcleo interno. Isso foi reconhecido pela primeira vez pela refração das ondas P passando por essa parte do núcleo, devido a um aumento abrupto em sua velocidade, que não foi mostrado pelas ondas P viajando através apenas da parte externa do núcleo.
  6. Tomografia sísmica: placas e massas de imagens em várias orientações na Terra, não apenas em camadas. Combinando dados de muitos sismógrafos, podem ser construídas imagens tridimensionais de zonas na Terra com velocidades de onda sísmica mais altas ou mais baixas. A tomografia sísmica mostra que em alguns lugares há massas de placas que podem ser subdivididas que penetraram abaixo da astenosfera na mesosfera e, em alguns casos, penetraram na mesosfera inferior, a parte mais profunda do manto. Em outros lugares, placas subductadas parecem ter se acumulado na base da mesosfera superior sem penetrar na mesosfera inferior.

Gravidade

Isaac Newton foi o primeiro a calcular a massa total da Terra. Isso nos dá uma restrição importante sobre o que a terra é feita, porque, dividindo a massa da terra pelo volume da Terra, conhecemos a densidade média da Terra. Qualquer que seja a terra, ela deve adicionar a quantidade correta de massa.

Medições de gravidade e a massa da Terra nos dizem que o interior da Terra deve ser mais denso que a crosta, porque a densidade média da Terra é muito maior que a densidade da crosta.

Como diferentes partes da crosta, do manto e do núcleo têm diferentes espessuras e densidades, a força da gravidade sobre determinados pontos da Terra varia ligeiramente. Essas variações da força média da gravidade da Terra são chamadas de anomalias de gravidade.

O mapeamento e análise de anomalias gravitacionais, em alguns casos usando satélites, e também medindo o efeito de anomalias gravitacionais na forma da superfície do oceano, nos deu uma visão muito clara sobre zonas de subducção, cordilheiras de disseminação no meio do oceano e cadeias montanhosas, incluindo constrangimentos nas profundezas das suas raízes.

Momento de inércia

A gravidade da Terra nos diz quanta massa total a terra tem, mas não nos diz como a massa é distribuída dentro da Terra. Uma propriedade conhecida como momento de inércia, que é a resistência (inércia) de um objeto a mudanças em seu spin (rotação), é determinada exatamente como a matéria é distribuída em um objeto em rotação, do seu núcleo à sua superfície.

O momento de inércia da Terra é medido pelo seu efeito sobre outros objetos com os quais interage gravitacionalmente, incluindo a Lua e os satélites. Conhecer o momento de inércia da Terra fornece uma maneira de verificar e refinar nossa compreensão da massa e da densidade de cada uma das camadas internas da Terra.

Meteoritos

Estudos de meteoritos, que são pedaços de asteroides que aterrissaram na Terra, juntamente com estudos astronômicos do que o Sol, os outros planetas e os asteroides orbitantes são feitos, nos dão um modelo para a composição química geral dos objetos no interior solar. sistema, que são feitos principalmente de elementos que formam rochas e metais, em oposição aos planetas exteriores, como Júpiter, que são feitos principalmente de luz, elementos formadores de gás.

O modelo geral de composição da parte rochosa e metálica do sistema solar tem porcentagens muito mais altas de ferro, níquel e magnésio do que o encontrado na crosta terrestre.

Se o manto da terra é feito de rocha ultramáfica, como é encontrado em amostras reais do manto superior em xenólitos e ofiolitos, isso seria responsável por parte do ferro, níquel e magnésio ausentes. Mas muito mais ferro e níquel ainda estariam faltando.

Se o núcleo é feito principalmente de ferro, e abundante níquel também, ele daria à terra uma composição geral semelhante à composição de outros objetos no sistema solar interno, e similar às proporções de rochas e elementos formadores de metal medidos em o sol.

Um manto com uma composição ultramáfica e um núcleo feito principalmente de ferro mais níquel, faria a composição da terra corresponder à composição do resto do sistema solar, e daria a essas camadas as densidades corretas para dar conta do momento de inércia e massa total da Terra. .

Experimentos

A geologia, como outras ciências, baseia-se na experiência, juntamente com a observação e a teoria. Cientistas e físicos da Terra desenvolveram métodos experimentais para estudar como os materiais se comportam nas pressões e temperaturas do interior da Terra, incluindo temperaturas e pressões do núcleo.

Eles podem medir propriedades como a densidade, o estado da matéria (líquido ou sólido), a rigidez, a compressibilidade e a velocidade com que as ondas sísmicas passam por esses materiais a altas pressões e temperaturas. Esses estudos permitem aperfeiçoar ainda mais nosso conhecimento sobre o que é o interior da Terra e como ele se comporta. Estas experiências suportam a teoria de que o manto é ultramáfico e o núcleo é principalmente ferro e níquel,

Verifique sua compreensão

Responda as perguntas abaixo para ver como você entende bem os tópicos abordados na seção anterior. Este pequeno questionário  não  conta para a sua nota na aula e você pode refazê-lo um número ilimitado de vezes.

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Referências bibliográficas

LEITE, Celino. Da Deriva dos Continentes a Teoria da Tectônica de Placas: uma abordagem epistemológica da construção do conhecimento geológico, suas contribuições e importância didática. 2003 https://www.researchgate.net/profile/Joil_Celino/publication/237494308_Da_Deriva_dos_Continentes_a_Teoria_da_Tectonica_de_Placas_uma_abordagem_epistemologica_da_construcao_do_conhecimento_geologico_suas_contribuicoes_e_importancia_didatica/links/5436961b0cf2bf1f1f2be392.pdf

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