A estrutura da geosfera

Explica o que é a geosfera e indica com que outras partes da Terra está em contacto à superfície (o ar, a água e os seres vivos), escrevendo o nome técnico de cada uma.

O corte da figura mostra as camadas concêntricas da geosfera, mas uma delas está assinalada com «?». Indica o nome dessa camada e ordena todas as camadas da mais superficial para a mais profunda.

Nomeia as três camadas da geosfera e indica qual é a mais externa e qual a mais profunda. Em qual delas vivemos?

Que camada da geosfera fica logo abaixo da crosta? E qual ocupa o centro do planeta? Ordena as três camadas de fora para dentro.

Qual é a camada mais fina da geosfera? Compara a sua espessura máxima ($70\ \text{km}$) com a do manto (cerca de $2\,900\ \text{km}$) e explica o que significa essa diferença.

A crosta tem entre $5\ \text{km}$ e $70\ \text{km}$ de espessura, o manto estende-se cerca de $2\,900\ \text{km}$ por baixo e o núcleo tem um raio de cerca de $3\,480\ \text{km}$. Calcula a distância aproximada desde a superfície até ao centro da Terra, estima quantas vezes cabe nessa distância uma viagem Lisboa–Porto (cerca de $620\ \text{km}$) e raciocina sobre a pequena fração do percurso total que a crosta representa, a camada na qual vivemos.

O poço mais profundo alguma vez perfurado atingiu cerca de $12\ \text{km}$, e a distância desde a superfície até ao centro da Terra é de cerca de $6\,370\ \text{km}$. Calcula que percentagem do caminho até ao centro conseguimos perfurar e indica duas dificuldades (temperatura e pressão) que travam as perfurações profundas.

Imagina que uma missão espacial instala sismógrafos por todo um planeta rochoso recém-descoberto. Após se registar um sismo no polo norte desse planeta, obtêm-se os seguintes dados:

• As ondas sísmicas P (que viajam tanto em sólidos como em líquidos) são registadas em quase todo o planeta, embora sofram uma mudança brusca de direção e velocidade aos $2\,500\ \text{km}$ de profundidade.

• As ondas sísmicas S (que se propagam exclusivamente em materiais sólidos) são detetadas normalmente até aos $2\,500\ \text{km}$, mas desaparecem por completo abaixo disso e não chegam a nenhum sismógrafo do hemisfério sul.

1. a) Interpreta estes registos e deduz o estado físico (sólido ou líquido) da camada situada entre $0$ e $2\,500\ \text{km}$, e da camada situada a maior profundidade. Justifica a tua dedução.
2. b) Supõe que no centro desse planeta existe ainda um núcleo interno completamente sólido. Prevê se as ondas S com origem no sismo do polo norte poderão chegar a esse núcleo interno sólido. Fundamenta a tua resposta a partir do trajeto que devem percorrer.

Distingue a crosta continental da crosta oceânica: qual das duas é mais espessa, onde se localiza cada uma e que tipo de materiais predomina em cada uma.

A crosta continental é mais espessa e menos densa do que a oceânica. Usando a analogia de dois icebergues de espessuras diferentes, explica por que razão os continentes se elevam acima do nível do mar enquanto a crosta oceânica fica submersa.

Onde achas que a crosta é mais espessa: sob a cordilheira dos Himalaia ou sob o oceano Pacífico? Justifica a tua resposta e explica que relação existe entre as montanhas altas e as «raízes» profundas da crosta.

Indica em que estado físico se encontram os materiais do núcleo externo e do núcleo interno, e explica de que dois metais são principalmente constituídos.

O ferro do núcleo faz com que a Terra se comporte como um íman gigante.

1. a) Explica que aparelho de uso quotidiano aproveita esse magnetismo para se orientar.
2. b) Justifica o que aconteceria a esse aparelho se o núcleo não fosse magnético.

O núcleo tem uma parte externa líquida e uma interna sólida, embora ambas sejam constituídas por ferro e níquel. Explica como é possível que o núcleo interno, sendo a zona mais quente do planeta, se mantenha sólido.

Na aula de ciências surgem duas observações que parecem contraditórias:

1. As ondas sísmicas S geradas por sismos só se propagam em meios sólidos, e atravessam todo o manto terrestre sem desaparecer.

2. Os continentes deslocam-se alguns centímetros por ano porque o manto sobre o qual flutuam flui, formando correntes de convecção ao longo de milhões de anos.

1. a) Resolve esta aparente contradição utilizando a analogia da plasticina ou do betume: explica como um material se pode comportar como um sólido rígido perante forças repentinas e breves (um sismo) e, ao mesmo tempo, deformar-se plasticamente e fluir perante forças contínuas aplicadas durante milhões de anos.
2. b) Prevê o que aconteceria à superfície terrestre (relevo, vulcões e sismos) se o manto fosse completamente líquido como a água ou a lava vulcânica, em vez de um sólido plástico.

De onde vem o calor do interior da Terra? Explica duas fontes desse calor (o remanescente da formação do planeta e o gerado por determinados materiais do interior) e refere duas evidências desse calor que podemos observar à superfície, como os vulcões ou as águas termais.

A mina de ouro de Mponeng (África do Sul) é a escavação humana mais profunda da Terra: atinge quase $4\ \text{km}$ sob a superfície. Nessa zona, a temperatura à superfície é de $20\ ^\circ\text{C}$ e o gradiente geotérmico médio é de $2{,}5\ ^\circ\text{C}$ por cada $100\ \text{m}$ de profundidade.

1. a) Calcula que temperatura a rocha atingiria no fundo da mina se não funcionasse nenhum sistema artificial de ar condicionado.
2. b) Um mineiro só pode trabalhar em segurança se a temperatura ambiente não ultrapassar os $32\ ^\circ\text{C}$. Calcula a que profundidade máxima se atingiria esse limite de segurança sem refrigeração.
3. c) Se aplicássemos esse mesmo gradiente de forma contínua até ao centro da Terra ($6\,371\ \text{km}$), que temperatura teórica disparatada se obteria no núcleo? Deduz o que este cálculo nos ensina sobre a forma como varia o gradiente geotérmico nas camadas mais profundas.

Duas cidades europeias querem construir uma central para aquecer as habitações através de energia geotérmica profunda, aproveitando água subterrânea a $90\ ^\circ\text{C}$. No inverno, a temperatura superficial em ambas as cidades é de $0\ ^\circ\text{C}$:

• Reiquiavique (Islândia): situada sobre uma dorsal vulcânica ativa, o seu gradiente geotérmico médio é de $15\ ^\circ\text{C}$ por cada $100\ \text{m}$ de profundidade.

• Helsínquia (Finlândia): situada sobre um escudo continental antigo e frio, o seu gradiente geotérmico é de $2\ ^\circ\text{C}$ por cada $100\ \text{m}$ de profundidade.

1. a) Calcula a que profundidade mínima deve perfurar cada cidade para alcançar a rocha aos $90\ ^\circ\text{C}$ necessários.
2. b) Tendo em conta o custo e a dificuldade técnica de perfurar poços profundos, justifica por que razão o aquecimento geotérmico direto é muito rentável na Islândia, mas se torna quase inviável economicamente na maior parte do continente europeu.
3. c) Explica a origem do calor interno que a Islândia aproveita e fundamenta por que razão se encontra a tão pouca profundidade em comparação com a Finlândia.

Se a Terra fosse um pêssego, explica que parte do fruto representaria a crosta, o manto e o núcleo, e aponta uma limitação desta comparação.

Compara a Terra com um ovo cozido (casca, clara e gema): explica que camada representa cada parte e aponta dois aspetos que o modelo do ovo não representa bem relativamente ao interior terrestre.

A densidade média de toda a Terra é de aproximadamente $5{,}5\ \text{g/cm}^3$. No entanto, as rochas que formam a crosta continental só têm uma densidade média de cerca de $2{,}7\ \text{g/cm}^3$, e os peridotitos que alguns vulcões profundos arrancam do manto atingem os $3{,}3\ \text{g/cm}^3$. Por outro lado, muitos meteoritos metálicos que caem do espaço são formados por ferro e níquel com densidades superiores a $7{,}5\ \text{g/cm}^3$.

1. a) A partir destes dados de densidade, demonstra por que razão é impossível que a Terra seja homogénea por dentro.
2. b) Deduz que camada do interior terrestre deve corresponder à composição dos meteoritos metálicos para que a densidade média global do planeta coincida com os $5{,}5\ \text{g/cm}^3$.
3. c) Justifica como o estudo de restos de asteroides e meteoritos provenientes do espaço nos permite conhecer a composição do centro do nosso planeta sem necessidade de lá chegar.

Com frequência diz-se que a crosta da Terra é proporcionalmente tão fina como a casca de uma maçã. Vamos verificar com dados se esta afirmação é cientificamente exata:

• Raio da Terra: $6\,370\ \text{km}$.

• Espessura média da crosta continental: $35\ \text{km}$; da crosta oceânica: $7\ \text{km}$.

• Uma maçã típica tem um raio de cerca de $40\ \text{mm}$ e a espessura da sua casca é de aproximadamente $0{,}3\ \text{mm}$.

1. a) Calcula a percentagem do raio que a casca da maçã representa e compara-a com a percentagem que a crosta continental e a oceânica representam relativamente ao raio terrestre.
2. b) Tendo em conta os teus cálculos, a analogia popular é correta ou a casca da maçã é proporcionalmente mais grossa ou mais fina do que a crosta terrestre? Justifica com os teus resultados.
3. c) Se construísses um modelo esférico da Terra com um raio de $20\ \text{cm}$ ($200\ \text{mm}$), calcula quantos milímetros de espessura teriam a crosta oceânica e a crosta continental. Conseguirias desenhar a crosta oceânica à escala com a ponta de um lápis escolar padrão de $1\ \text{mm}$ sem a exagerar?

Dispomos de mapas da superfície de Marte com uma resolução de poucos metros graças aos satélites em órbita, mas conhecemos com muito menos detalhe o fundo dos oceanos da Terra, situados a apenas alguns quilómetros sob a água.

1. a) Explica por que razão as câmaras fotográficas de alta resolução e os radares dos satélites orbitais não servem para cartografar o fundo marinho profundo, indicando que propriedade física da água marinha o impede.
2. b) Na fossa das Marianas (a $11\ \text{km}$ de profundidade), a pressão é superior a $1\,100$ atmosferas. Se tivesses de conceber um robô submarino para descer a essa zona, que duas dificuldades técnicas críticas terias de resolver para evitar a sua destruição e conseguir captar dados do fundo?
3. c) Dado que a luz e o radar não penetram no oceano profundo, deduz que tipo de ondas utilizam os navios oceanográficos para «ver» e cartografar o relevo submarino (sonares) e explica brevemente como calculam a profundidade do fundo marinho.

No célebre romance Viagem ao Centro da Terra, de Júlio Verne, os protagonistas descem a pé pela chaminé de um vulcão inativo e encontram enormes cavernas ocas transitáveis, um oceano subterrâneo e temperaturas agradáveis a centenas de quilómetros de profundidade.

1. a) Tendo em conta a pressão litostática (o peso descomunal das rochas situadas por cima), prevê o que aconteceria a qualquer gruta ou galeria oca a mais de $15\ \text{km}$ de profundidade. Por que razão é fisicamente impossível que existam cavernas abertas no manto terrestre?
2. b) O aço comum funde a cerca de $1\,400\ ^\circ\text{C}$ e o titânio a $1\,668\ ^\circ\text{C}$. Sabendo que no limite entre o manto e o núcleo a temperatura ronda os $4\,000\ ^\circ\text{C}$, justifica por que razão é inviável construir um veículo ou broca que desça fisicamente até ao centro do planeta.
3. c) Se a temperatura no centro da Terra é ainda mais alta (atinge quase os $6\,000\ ^\circ\text{C}$), como é possível que o núcleo interno seja sólido enquanto o núcleo externo, que está a menor temperatura, é líquido? Resolve esta aparente contradição explicando o papel da pressão.