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Qual é a constituição do núcleo da Terra e sua relação com o campo magnético terrestre?

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Figura 1. A Terra possui uma estrutura semelhante a uma concha. Ela é dividida em um núcleo (núcleo interno e externo), um manto (manto inferior e superior, separados por uma zona de transição) e a crosta terrestre.

          Explorar o interior profundo da Terra é um desafio muito maior do que explorar o Sistema Solar. Enquanto já viajamos 25 bilhões de quilômetros no espaço, a maior profundidade que já atingimos abaixo da superfície da Terra foi pouco mais de 12 quilômetros. Nesse contexto, o núcleo terrestre ainda não é completamente compreendido. E é importante entendê-lo em detalhes, porque o campo magnético que envolve o nosso planeta e protege a vida terrestre é produzido pelo núcleo.


   NÚCLEO DA TERRA

             A Terra é composta de quatro camadas principais, começando com um núcleo interno no centro do planeta envolvido por um núcleo externo e seguindo pelo manto e, finalmente, pela crosta terrestre (Fig.2). À medida que nos aproximamos do núcleo da Terra, tanto a temperatura quanto a pressão aumentam. O aumento da temperatura faz com que os materiais derretam, enquanto o aumento da pressão os mantém sólidos.

          O núcleo interno é uma esfera sólida com ~1221 km de raio e constituída essencialmente de ligas metálicas entre ferro e níquel. Ali, a pressão é altíssima (até próximo de 350 GPa) e a temperatura pode superar 5700°C (Ref.3-4). O núcleo externo possui ~2300 km de espessura e é fluido, constituído em sua maior parte de uma mistura entre ferro e níquel. O ferro (Fe) é o principal constituinte do núcleo, com aproximadamente 5-10% da massa restante sendo constituída de níquel (Ni). O núcleo concentra 32% da massa da Terra e representa 16% do volume terrestre (Ref.5). O núcleo externo constitui 96% do volume total do núcleo.

 

Figura 2. Esquema simplificado das camadas da Terra. A Terra possui um diâmetro de ~12750 km. O núcleo possui uma densidade quase duas vezes maior do que o manto, devido à sua composição quase totalmente metálica. O núcleo interno possui ~2450 km de diâmetro e é formado e cresce devido à solidificação de ligas líquidas de ferro na fronteira dessa camada. Ref.2

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          Análises de densidade do núcleo apontam que existe uma quantidade significativa (pelo menos ~10% da massa total) de elementos mais leves misturados ao Fe-Ni nessa região, incluindo potencialmente hidrogênio, carbono, oxigênio, enxofre, silício e cloro (Ref.4, 6-11). Um estudo experimental de 2025 sugere que pode existir uma grande quantidade de hélio primordial (He-3) no núcleo - e esse elemento é capaz de se ligar ao ferro sob altas pressões (Ref.12). Esses elementos mais leves provavelmente estão mais concentrados próximos da fronteira entre o núcleo externo e o manto. Evidências teórica e experimental nos últimos anos inclusive suportam a hipótese de que o núcleo interno não é um sólido normal, mas um estado intermediário superiônico caracterizado pela difusão de elementos mais leves no estado líquido em uma sub-rede de ferro sólido (Ref.13-14).

          Existe também evidência sismológica e computacional de deformação viscosa próximo da superfície do núcleo interno, aparentemente como resultado de distúrbios causados pela turbulência do núcleo externo, apontando mais uma vez que essa região não é totalmente sólida (Ref.15).

          O núcleo interno da Terra está crescendo continuamente e lentamente à medida que o núcleo externo fundido que o circunda esfria e congela. Acredita-se que esse processo de resfriamento e solidificação teve início quando a temperatura no núcleo interno atingiu ~250°C abaixo do ponto de fusão do ferro, com a cristalização associada provavelmente favorecida pela presença de elementos leves como o carbono (Ref.16). Mas ainda é incerto quando o processo (nucleação do núcleo interno) teve início: talvez há mais de 2 bilhões de anos ou talvez mais recente, há menos de 1 bilhão de anos. Evidência paleomagnética sugere que a nucleação do núcleo interno pode ter se iniciado no final do Período Ediacarano, talvez há ~570 milhões de anos (Ref.17).

          Anomalias sísmicas detectadas no núcleo da Terra por estudos recentes sugerem que essa região possui mais camadas do que os núcleos externo e interno, com composições químicas e estruturais diferentes, incluindo possivelmente uma bola metálica distinta de ~650 km de diâmetro no centro do núcleo interno (Ref.18-19).


   Campo Magnético da Terra

          A biosfera da Terra é fortuita pela existência de um campo magnético que envolve o planeta e o protege da radiação cósmica nociva - constituída por partículas carregadas emitidas pelo Sol e fontes galácticas. Outros planetas do nosso Sistema Solar - como Marte - são constantemente bombardeados por partículas carregadas que dificultam a emergência ou a persistência da vida como a conhecemos.

          A geração do campo magnético terrestre é explicada em sua maior parte pela Teoria do Dínamo.

          O lento e contínuo resfriamento do núcleo líquido de ferro e níquel - eletricamente carregado - impulsiona correntes circulares de material líquido no núcleo externo, conhecidas como correntes de convecção. Ao mesmo tempo, a rotação da Terra desvia essas correntes, fazendo com que elas fluam em um padrão helicoidal (Fig.3). Essas correntes de convecção geram correntes elétricas, que por sua vez produzem campos magnéticos e, portanto, constituem a maior parte do campo magnético da Terra.

Figura 3. (A) Representação do campo magnético da Terra como um ímã em forma de barra coincidindo com o núcleo. O polo sul desse ímã aponta para o Polo Norte da Terra. As setas vermelhas representam a orientação do campo magnético em vários locais da superfície terrestre. (B) Material quente tende sobe até as camadas externas do globo, criando correntes de convecção. Ao mesmo tempo, a rotação da Terra gera fortes forças de Coriolis. Em conjunto, esses efeitos produzem um fluxo espiral complexo de material quente no núcleo externo. Quando correntes elétricas são criadas em tal sistema de fluxos, elas podem causar um campo magnético que, por sua vez, aumenta a corrente elétrica e assim por diante - e finalmente o campo magnético se torna tão forte que podemos medi-lo na superfície da Terra.

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> É sugerido que o níquel (Ni) atua de forma importante no geodínamo ao reduzir de forma significativa a condutividade térmica no núcleo por simples movimentação de elétrons - em comparação com um núcleo constituído apenas por ferro -, favorecendo a produção de correntes de convecção no núcleo externo. Ref.20

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           Inicialmente, na história geológica da Terra, a convecção era provavelmente alimentada pelo resfriamento do núcleo líquido e só depois pelo crescimento do núcleo interno sólido, com a solidificação de Fe-Ni nesse último cenário liberando calor latente para o processo. De fato, evidências geológicas apontam que o campo magnético terrestre persiste desde pelo menos 3,5 bilhões de anos atrás e talvez tenha iniciado há ~4,2 bilhões, muito mais antigo do que a existência de um núcleo sólido.

            Um estudo publicado em 2025 no periódico Nature (Ref.21) usou simulações computacionais para mostrar que o efeito dínamo ainda é possível mesmo com um núcleo totalmente líquido e viscosidade extremamente baixa, gerando também um campo magnético estável e similar em força ao atual - mas dominado por dinâmicas diferentes.

          Outros fatores, estruturas e processos ligados ao manto e ao núcleo também influenciam ou contribuem para o campo magnético terrestre e ainda não são totalmente compreendidos (Ref.22-23).


   Variação do Campo Magnético Terrestre

           A intensidade e a estrutura do campo magnético da Terra podem variar significativamente ao longo do tempo. Em longos períodos, o campo magnético é ocasionalmente e estocasticamente perturbado por inversões, durante as quais a polaridade do campo se inverte em uma escala de tempo de vários milhares de anos.

          As inversões geomagnéticas ocorrem porque o campo magnético da Terra é gerado por um dínamo caótico e autoexcitado no núcleo externo líquido, em vez de um ímã permanente. Ao longo de centenas a milhares de anos, o movimento fluido do ferro e do níquel no núcleo pode enfraquecer, permitindo que instabilidades interrompam o campo e o reorganizem, resultando, às vezes, em uma inversão de polaridade de 180º. A energia do dipolo é drasticamente reduzida durante essas inversões, resultando em variações dinâmicas tanto na intensidade quanto na direção do campo magnético terrestre.

          Em uma média de cada ~200 mil anos, os polos Norte e Sul trocam de lugar. Aproximadamente 540 inversões geomagnéticas ocorreram nos últimos ~170 milhões de anos. O processo completo de inversão parece variar de forma significativa dependendo do período geológico do evento e durar de ~10 mil anos até 70 mil anos (Ref.25).

          Notável apontar que, nos últimos 180 anos, a intensidade do campo magnético da Terra diminuiu cerca de 10%. Simultaneamente, uma área com um campo magnético excepcionalmente fraco cresceu no Atlântico Sul, ao largo da costa da América do Sul. Essa área, onde satélites têm apresentado mau funcionamento diversas vezes devido à maior exposição a partículas altamente carregadas provenientes do Sol, é chamada de Anomalia do Atlântico Sul. Esses eventos levaram à especulação de que poderíamos estar caminhando para uma nova inversão de polaridade. Porém, evidência científica mais recente sugere que anomalias do tipo têm sido recorrentes nos últimos 9 mil anos e não parecem indicar o início de uma inversão geomagnética (Ref.26).


   Auroras Boreal e Austral

          Como mencionado, por mais de 3,2 bilhões de anos, o campo magnético intrínseco da Terra tem protegido a atmosfera e a habitabilidade do planeta, servindo como um escudo contra o vento solar. Esse vento solar é um fluxo contínuo de partículas carregadas energéticas emanadas do Sol. Esse escudo, conhecido como magnetosfera, assume uma forma semelhante a um dipolo magnético e é moldado por processos de fluxo convectivo e correntes que transportam partículas carregadas.

          Dentro da magnetosfera, as linhas do campo magnético transportam partículas carregadas, aprisionando-as e/ou acelerando-as, criando um ambiente de plasma espacial que se estende por dezenas a centenas de raios terrestres (RE; ~6378 km) nos lados diurno e noturno, respectivamente. Partículas carregadas desse ambiente interagem com gases na alta atmosfera perto dos polos magnéticos, dando origem aos espetáculos de luzes naturais no céu conhecidos como aurora boreal (luzes do norte) e aurora austral (luzes do sul).

 

Figura 4. À esquerda, uma aurora boreal normal consiste em cortinas brilhantes de vermelho, verde e azul. À direita, uma aurora boreal do tipo "Steve", contendo uma camada fina e mais brilhante que exibe muito mais verde. As luzes [fótons] são produzidas pela excitação de moléculas e átomos na alta atmosfera terrestre - frequentemente em altitudes superiores a 1000 km - quando interagem com partículas muito energéticas emitidas pelo Sol. Os gases mais abundantes da atmosfera terrestre (O2 e N2) contribuem primariamente para as cores: o oxigênio emite frequências específicas de luz verde e vermelha, enquanto o nitrogênio gera um pouco de luz vermelha, mas principalmente uma linha de emissão azul. Ref.27

 

Figura 5. Desenho japonês de uma aurora boreal fazendo referência a uma observação em Okazaki em 4 de fevereiro de 1872. Nesse ano, houve uma tempestade geomagnética extrema induzida por atividade solar, resultando na observação das luzes da aurora tão próximo do equador quanto nas cidades de Bombay (Índia) e Khartoum (Sudão). As auroras são intensificadas quando a atividade solar - ou outras fontes de radiação energética no espaço - é intensificada. Ref.28

           Devido às variações no campo geomagnético ao longo do tempo geológico - incluindo as ocasionais inversões magnéticas - as auroras nem sempre ficam confinadas em maior extensão nos polos Norte e Sul.

           Em certas ocasiões, o campo geomagnético muda rapidamente ao longo de alguns milênios; esses eventos são chamados de excursões geomagnéticas. As excursões são semelhantes às inversões geomagnéticas, mas ocorrem em escalas de tempo mais curtas. Elas fazem com que a intensidade do campo intrínseco diminua e a inclinação magnética mude, deslocando rapidamente os polos magnéticos por vastas distâncias, mesmo durante a vida de um indivíduo humano.

           Por exemplo, durante a notável excursão de Laschamps, há ~41 mil anos, com duração de ~2 mil anos, houve uma redução global do campo geomagnético para até ~10% dos valores modernos da força do dipolo axial e um significativo deslocamento dos polos magnéticos em relação aos polos geográficos (Ref.29). A inclinação do dipolo foi desviada em ~15° para latitudes próximas ao equador. Isso causou uma maior compressão da magnetosfera e uma grande expansão das regiões de aurora e no sentido de latitudes mais baixas (Fig.6). O oval auroral que hoje possui menos de 3000 km de diâmetro se expandiu para mais de 8000 km ~41 mil anos atrás. 

Figura 6. Visualização das variações do fluxo de energia de partículas carregadas aurorais e da correspondente movimentação da zona auroral durante a excursão de Laschamps. Os subgráficos (A a E) representam a cobertura auroral no Hemisfério Norte em épocas temporais específicas, enquanto os subgráficos (F a J) mostram a cobertura auroral no Hemisfério Sul durante as mesmas épocas. Os contornos do fluxo de energia auroral são representados a 1,5 RE (10000 km), com valores saturados a 10 mW/m². (Projeção inferior em cada subgráfico). O oval auroral (verde claro) e as zonas de linhas de campo abertas agregadas (verde escuro) são projetados em altitudes atmosféricas (110 km) para cada época, exibidos sobre uma projeção ortográfica do globo. As linhas vermelhas indicam a trajetória dos polos geomagnéticos, com base na inclinação do dipolo axial. Ref.29

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> O oval auroral é uma região em forma de anel ao redor dos polos magnéticos da Terra (norte e sul), onde as auroras boreal e austral ocorrem devido à interação de partículas solares com a magnetosfera.

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          Curiosamente, os Neandertais (Homo neanderthalensis) foram extintos há ~40 mil anos, coincidindo com o final da excursão de Laschamps - período no qual houve maior exposição de radiação UV na superfície terrestre devido ao dramático enfraquecimento do campo geomagnético e consequente maior depleção da camada de ozônio. Em humanos, a superexposição à radiação ultravioleta está ligada a queimaduras solares, carcinogênese (ex.: melanomas), imunossupressão, patologias oculares/cegueira e depleção de folato, que está associada a distúrbios congênitos e mortalidade infantil.

          A deletéria exposição excessiva dos Neandertais ao UV pode ter sido um fator contribuinte para a extinção dessa espécie de humano arcaico. 

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   Energia elétrica e Rotação da Terra

          Seria possível extrair energia elétrica na superfície da Terra para uso em atividades humanas explorando a rotação do planeta e o campo geomagnético? Historicamente, essa ideia tem sido caracterizada como uma impossibilidade física. Mas um estudo publicado em 2025 - no periódico Physical Letters Review (Ref.30) e conduzido por pesquisadores da Universidade de Princeton, EUA - trouxe evidência experimental sugestiva de que é possível produzir eletricidade a partir de um condutor fixado na superfície terrestre, através de um mecanismo de dínamo.

          No equador, a velocidade de rotação terrestre é de ~465 m/s (ou ~1674 km/h), sendo reduzida com o aumento de latitude - à medida que a circunferência do planeta diminui. O campo geomagnético, à princípio, não rotaciona junto com a Terra. Levando em conta esse último ponto, é possível calcular a força magnética: os elétrons em um objeto metálico fixo e localizado em um laboratório de Princeton, por exemplo, movem-se a 350 m/s [rotação terrestre local] através do campo magnético local de 45 microtesla, gerando uma força por carga de cerca de 10 milinewtons por coulomb. Porém, esses elétrons se rearranjarão rapidamente na superfície do metal, criando um campo elétrico de 10 milivolts por metro que cancela a força magnética gerada.

          Então, como é possível explorar eletricidade nesse contexto?

          No estudo experimental citado, os pesquisadores apontaram que um cilindro oco constituído de ferrita e uma liga de manganês-zinco é capaz de evitar o "rearranjo de cancelamento" dos elétrons no condutor. Este material funciona simultaneamente como um escudo magnético e um condutor fraco - duas propriedades essenciais para potencialmente permitir que uma pequena tensão se acumule no cilindro quando posicionado corretamente no campo magnético da Terra (Fig.7).

 

Figura 7. O cilindro - com 30 cm de comprimento e 2 cm de largura - é posicionado sobre uma superfície inclinada, de forma que fique perpendicular tanto ao campo magnético da Terra quanto à direção de rotação do planeta (orientado ao longo da direção norte-sul em um ângulo de 57° em relação ao chão). Sensores registram a tensão entre as extremidades do cilindro. Os experimentos foram conduzidos no escuro para evitar a contaminação do sinal pelo efeito fotoelétrico. Ref.30

          Os autores do estudo reportaram que conseguiram gerar 18 microvolts (µV) ao longo do cilindro testado. Mas ainda existe muito ceticismo de outros físicos e mais experimentos são necessários para replicar o achado e esclarecer se outros mecanismos explicam a corrente observada (Ref.31-32).


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REFERÊNCIAS

  1. https://science.nasa.gov/earth/facts/
  2. https://www.usgs.gov/media/images/crust-mantle-and-core-earth
  3. Ikuta et al. (2023). Density deficit of Earth’s core revealed by a multimegabar primary pressure scale. Science Advances, Vol. 9, No. 36. https://doi.org/10.1126/sciadv.adh8706
  4. Ganguly, J. (2025). Thermodynamics of light elements stratification in the earth's outer core and implications. Earth and Planetary Science Letters, Volume 659, 119333. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119333
  5. Mao et al. (2024). Probing iron in Earth’s core with molecular-spin dynamics. PNAS, 121 (51) e2408897121. https://doi.org/10.1073/pnas.240889712
  6. Zhang & Oganov (2010). Iron silicides at pressures of the Earth's inner core. Geophysical Research Letters, Volume 37, Issue 2. https://doi.org/10.1029/2009GL041224
  7. Ikuta et al. (2021). Two-phase mixture of iron–nickel–silicon alloys in the Earth’s inner core. Communications Earth & Environment 2, 225. https://doi.org/10.1038/s43247-021-00298-1
  8. Maderer et al. (2023). Unveiling the outer core composition with neutrino oscillation tomography. Frontiers in Earth Science, Volume 11. https://doi.org/10.3389/feart.2023.1008396 
  9. Yuan & Steinle-Neumann (2024). Earth's “Missing” Chlorine May Be in the Core. JGR Solid Earth, Volume 129, Issue 2, e2023JB027731. https://doi.org/10.1029/2023JB027731
  10. Komabayashi et al. (2024). High-Pressure Melting Experiments of Fe3C and a Thermodynamic Model of Fe-C Liquids for the Earth's Core. JGR Solid Earth, Volume 129, Issue 9, e2024JB029641. https://doi.org/10.1029/2024JB029641
  11. Mita et al. (2025). Fe-FeH Eutectic Melting Curve and the Estimates of Earth's Core Temperature and Composition. JGR Solid Earth, Volume 130, Issue 1, e2024JB029283. https://doi.org/10.1029/2024JB029283
  12. Takezawa et al. (2025). Formation of Iron-Helium Compounds under High Pressure. Physical Review Letters 134, 084101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.084101
  13. He et al. (2022). Superionic Iron Alloys and Their Seismic Velocities in Earth’s Inner Core. Nature, 602 (7896), 258–262. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x
  14. Huang et al. (2025). Experimental evidence for superionic Fe–C alloy revealed by shear softening in Earth’s inner core, National Science Review, Volume 12, Issue 11, nwaf419. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf419
  15. Vidale et al. (2025). Annual-scale variability in both the rotation rate and near surface of Earth’s inner core. Nature Geoscience 18, 267–272. https://doi.org/10.1038/s41561-025-01642-2
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  17. Li et al. (2023). Late Cambrian geomagnetic instability after the onset of inner core nucleation. Nature Communications 14, 4596. https://doi.org/10.1038/s41467-023-40309-7
  18. Phạm & Tkalčić (2023). Up-to-fivefold reverberating waves through the Earth’s center and distinctly anisotropic innermost inner core. Nature Communications 14, 754. https://doi.org/10.1038/s41467-023-36074-2
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  22. Ma & Tkalcic (2024). Seismic low-velocity equatorial torus in the Earth’s outer core: Evidence from the late–coda correlation wavefield. Science Advances, Vol. 10, No. 35. https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5562
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  27. Gaque et al. (2023). It's Not Easy Being Green: Kinetic Modeling of the Emission Spectrum Observed in STEVE's Picket Fence. Geophysical Research Letters, Volume 50, Issue 21, e2023GL106073. https://doi.org/10.1029/2023GL106073 
  28. Hayakawa et al. (2023). The Extreme Space Weather Event of 1872 February: Sunspots, Magnetic Disturbance, and Auroral Displays. The Astrophysical Journal, Volume 959, Number 1. https://doi.org/10.3847/1538-4357/acc6cc
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  32. https://www.nature.com/articles/d41586-025-00847-0