Uma nova pesquisa da Universidade do Texas em Austin adiciona evidências a uma teoria que afirma que os núcleos metálicos de planetas rochosos como a Terra foram formados quando o metal derretido preso entre grãos de rocha de silicato percolou para o centro do planeta durante sua formação inicial. Crédito:UT Austin
Os cientistas há muito refletem sobre como os corpos rochosos do sistema solar - incluindo nossa própria Terra - obtêm seus núcleos de metal. De acordo com uma pesquisa realizada pela Universidade do Texas em Austin, as evidências apontam para a percolação descendente de metal derretido em direção ao centro do planeta através de minúsculos canais entre grãos de rocha.
A descoberta questiona a interpretação de experimentos e simulações anteriores que buscavam entender como os metais se comportam sob intenso calor e pressão quando os planetas estão se formando. Os resultados anteriores sugeriram que grandes porções de metais fundidos ficaram presas em poros isolados entre os grãos. Em contraste, a nova pesquisa sugere que, uma vez que esses poros isolados crescem o suficiente para se conectar, o metal fundido começa a fluir, e a maior parte é capaz de se infiltrar ao longo dos limites dos grãos. Este processo deixaria o metal escorrer pelo manto, acumular no centro, e formar um núcleo de metal, como o núcleo de ferro no coração do nosso planeta natal.
"O que estamos dizendo é que, uma vez que a rede derretida seja conectada, ele permanece conectado até que quase todo o metal esteja no núcleo, "disse o co-autor Marc Hesse, professor associado do Departamento de Ciências Geológicas da Escola de Geociências da UT Jackson, e membro do Instituto de Engenharia e Ciências da Computação da UT.
A pesquisa foi publicada em 4 de dezembro na Proceedings of the National Academy of Sciences . O trabalho foi a tese de doutorado de Soheil Ghanbarzadeh, que obteve seu Ph.D. enquanto um estudante no Departamento de Engenharia de Petróleo e Geossistemas da UT (agora o Departamento de Engenharia de Petróleo e Geossistemas de Hildebrand). Ele atualmente trabalha como engenheiro de reservatórios na BP America. Soheil foi assessorado conjuntamente por Hesse e Maša Prodanovic, professor associado do Departamento de Hildebrand e coautor.
Planetas e planetesimais (pequenos planetas e grandes asteróides) são formados principalmente por rochas de silicato e metal. Parte do processo de formação do planeta envolve a massa inicial de material que se separa em um núcleo metálico e uma concha de silicato formada pelo manto e a crosta. Para que a teoria de percolação da formação do núcleo funcione, a grande maioria do metal no corpo planetário deve seguir para o centro.
Neste estudo, Ghanbarzadeh desenvolveu um modelo de computador para simular a distribuição de ferro fundido entre os grãos de rocha como porosidade, ou fração de fusão, aumentado ou diminuído. As simulações foram realizadas no Texas Advanced Computing Center. Os pesquisadores descobriram que, uma vez que o metal começa a fluir, ele pode continuar fluindo mesmo quando a fração de fusão diminui significativamente. Isso está em contraste com as simulações anteriores, que descobriram que, uma vez que o metal começa a fluir, basta um pequeno mergulho no volume do fundido para que a percolação pare.
Imagens de redes de fusão em grãos irregulares (a) usadas em um estudo da Universidade do Texas em Austin e redes de fusão em grãos regulares (b) usadas em estudos anteriores. Suas simulações mostram que a irregularidade dos grãos promove a conectividade do derretimento. Crédito:UT Austin
"As pessoas presumem que você se desconecta na mesma fração de fusão em que se conectou inicialmente ... e isso deixaria uma quantidade significativa de metal para trás, "Hesse disse." O que descobrimos é que quando o metal fundido conecta e quando desconecta não é necessariamente o mesmo. "
De acordo com o modelo do computador, apenas 1 a 2 por cento do metal inicial ficaria preso no manto de silicato quando a percolação para, o que é consistente com a quantidade de metal no manto da Terra.
Os pesquisadores apontam para o arranjo dos grãos da rocha para explicar as diferenças em quão bem conectados os espaços entre os grãos estão. Trabalhos anteriores usaram um padrão geométrico de regular, grãos idênticos, enquanto este trabalho contou com simulações usando uma geometria de grão irregular, que é pensado para espelhar mais de perto as condições da vida real. A geometria foi gerada usando dados de uma amostra de titânio policristalino que foi digitalizada usando microtomografia de raios-X.
"O modelo numérico que Soheil desenvolveu em sua tese de doutorado permitiu encontrar pela primeira vez redes tridimensionais de fusão de qualquer complexidade geométrica, ", disse Prodanovic." Ter um modelo tridimensional é a chave para entender e quantificar como funciona a armadilha de derretimento. "
O esforço valeu a pena porque os pesquisadores descobriram que a geometria tem um forte efeito na conectividade do derretimento. Nos grãos irregulares, os canais de fusão variam em largura, e os maiores permanecem conectados mesmo quando a maior parte do metal é drenada.
"O que fizemos de diferente aqui foi adicionar o elemento de curiosidade para ver o que acontece quando você drena o derretimento do poroso, rocha dúctil, "disse Ghanbarzadeh.
Os pesquisadores também compararam seus resultados a uma rede de fusão metálica preservada em um meteorito de anacondrita, um tipo de meteorito que veio de um corpo planetário que se diferenciava em camadas discerníveis. Imagens de raios-X do meteorito obtidas nas instalações de tomografia computadorizada de raios-X de alta resolução da Jackson School revelaram uma distribuição de metal que é comparável às redes de fusão computadas. Prodanovic disse que esta comparação mostra que sua simulação captura as características observadas no meteorito.
