O “buraco gravitacional” do oceano Índico: como se formou o maior baixo do geoide da Terra
A cerca de 1.200 quilômetros a sudoeste da ponta sul da Índia, a superfície do mar afunda. Não de forma visível, não de um jeito que qualquer marinheiro perceberia do convés, não de nenhuma maneira que apareça em uma tábua de marés. Mas, se você tirasse o vento, as correntes, os gradientes de temperatura e tudo o mais que encrespa o oceano, veria: uma depressão circular do tamanho do subcontinente indiano, com três milhões de quilômetros quadrados de extensão, onde o nível de repouso do mar fica cerca de 106 metros abaixo da superfície média do mar no resto da Terra. Este é o baixo do geoide do oceano Índico (IOGL, na sigla em inglês), popularmente chamado de “buraco gravitacional”. É a maior anomalia gravitacional do nosso planeta e, durante 75 anos, ninguém chegou a um consenso sobre o que a causava. Em 2023, uma dupla de geofísicos do Instituto Indiano de Ciência argumentou que a resposta é um fantasma. A depressão no mar, disseram eles, é o que resta de um oceano que morreu.
O que é, afinal, um geoide
A Terra, uma batata cheia de calombos
Para falar de um buraco de 106 metros no oceano, primeiro é preciso abandonar a ideia de que a Terra é redonda. Ela não é. A rotação a achata e a transforma em um elipsoide, com o equador se projetando cerca de 21 quilômetros mais longe do centro do que os polos. Depois, acrescente os calombos: montanhas, fossas oceânicas, placas densas de rocha enterradas a centenas de quilômetros de profundidade, bolsões de material mais quente e mais leve subindo das profundezas. Cada uma dessas diferenças de massa puxa o campo gravitacional um pouco mais forte, ou um pouco mais fraco, do que o insosso elipsoide prevê. “A Terra é basicamente uma batata cheia de calombos”, afirmou Attreyee Ghosh, geofísica do Centro de Ciências da Terra do IISc Bangalore, ao descrever essa ideia. O geoide é a forma que essa batata assumiria se você estendesse um oceano liso sobre o planeta inteiro e deixasse a gravidade decidir onde a superfície se assentaria.
Por que o nível do mar não é um número único
O nível do mar, em outras palavras, não é um único número. É uma superfície, e uma superfície meio torta. Sobre o alto do geoide da Nova Guiné, ele sobe cerca de 85 metros acima do elipsoide de referência; sobre o oceano Índico, cai 106 metros. Não são calombos que se possam ver de um navio. São ondulações equipotenciais, definidas pelo próprio campo gravitacional, e missões de satélite modernas, como a GOCE, da ESA, e o par GRACE, uma missão conjunta da NASA e do DLR, foram construídas justamente para mapeá-las com precisão métrica.
Vening Meinesz e a descoberta de 1948
O homem que primeiro percebeu que havia algo errado ao sul da Índia nunca navegou até lá para procurar. Felix Andries Vening Meinesz era um geodesista holandês, com dois metros de altura, que passou a década de 1910 mapeando o campo gravitacional do seu país, plano e pantanoso, com um engenhoso aparelho de pêndulos de sua própria concepção. O solo holandês, encharcado de sedimentos, não deixava um único pêndulo ficar firme; por isso ele construiu um aparelho com três pêndulos oscilando em fases opostas, de modo que suas perturbações se anulavam e seu verdadeiro período sobrevivia. Os marinheiros a bordo dos apertados submarinos que levavam o instrumento ao mar passaram a chamá-lo de Bezerro de Ouro.
A partir de 1923, Vening Meinesz percorreu os oceanos do mundo em submarinos da Marinha Real Holandesa, incluindo a longa viagem do K-XVIII, em 1934–35, pelas Índias Orientais. Seu aparelho, baixado a 30 metros abaixo das ondas, onde a agitação da superfície se atenua, fez as primeiras medições precisas de gravidade já realizadas no mar. Ele encontrou cinturões de anomalias paralelos às fossas da Indonésia, um trabalho que alimentaria diretamente a teoria da tectônica de placas. Mas a gigantesca depressão ao sul da Índia não se anunciou em uma única viagem. Ela emergiu devagar, na síntese do pós-guerra de décadas de dados de pêndulos submarinos com novas medições feitas em navios e por satélite. Em 1948, quando Vening Meinesz publicou seus mapas gravimétricos consolidados da região do oceano Índico, a anomalia era inequívoca. Havia um buraco no campo gravitacional do tamanho de um subcontinente, e ninguém sabia por quê.
Setenta e cinco anos de explicações fracassadas
As três gerações seguintes de geofísicos tentaram, e em sua maioria fracassaram, explicar o que Vening Meinesz havia encontrado. A primeira tentativa séria, de S. M. Ihnen e J. H. Whitcomb, em 1983, atribuiu a anomalia a uma depressão isostaticamente não compensada no manto superior, basicamente uma cova na crosta que nunca havia sido equilibrada por raízes flutuantes. Não funcionou. A forma estava errada, a magnitude estava errada, e a anomalia negativa se estendia fundo demais para ser uma feição próxima da superfície. Em 1987, J. G. Negi e colegas propuseram que o próprio limite núcleo-manto estaria defletido para baixo sob o oceano Índico. Esse modelo conseguia reproduzir a magnitude, mas a sismologia nunca o sustentou. Outros grupos culparam cemitérios de placas frias de litosfera subductada do Tétis, assentadas sobre o limite núcleo-manto, ou a desidratação dessas placas, que liberava fluidos e reduzia a densidade no manto médio, ou ainda paleobacias de retroarco no Neotétis.
O primeiro modelo a chegar perto usou algo mais dinâmico. Attreyee Ghosh, trabalhando com G. Thyagarajulu e Bernhard Steinberger no GFZ Potsdam, publicou em 2017, na Geophysical Research Letters, um cálculo de convecção do manto que extraía o fluxo da própria tomografia sísmica. Eles concluíram que o baixo do geoide só poderia ser reproduzido se houvesse uma anomalia de baixa densidade e baixa velocidade no manto superior, estendendo-se de cerca de 300 a 900 quilômetros de profundidade sob o norte do oceano Índico. Segundo eles, as placas frias do manto inferior, por si sós, simplesmente não produziam um baixo do geoide no lugar certo. Bernhard Steinberger deu continuidade ao trabalho em 2021, na Tectonophysics, com um modelo de densidade sintética mostrando que o IOGL fica exatamente onde um “anel” aproximadamente norte-sul de placas de alta densidade no manto inferior cruza uma “faixa” aproximadamente leste-oeste de material de baixa densidade do manto superior, que parte da África Oriental. A localização do cruzamento era, por fim, uma pista. A faixa quente do manto superior apontava de volta para a África e para uma das feições mais estranhas da Terra profunda.
O modelo de 2023: um oceano-fantasma e a bolha africana
A faixa que Ghosh e Steinberger haviam identificado apontava para uma imensa anomalia termoquímica que repousa no limite núcleo-manto sob a África: uma das duas Grandes Províncias de Baixa Velocidade de Ondas de Cisalhamento (LLSVPs, na sigla em inglês) que dominam os 1.000 quilômetros mais profundos do manto. As duas LLSVPs antípodas, sob a África e o Pacífico, foram descritas de forma abrangente pela primeira vez por Su, Woodward e Dziewonski em 1994 e, desde então, foram mapeadas por todos os principais modelos globais de tomografia. Elas se estendem por milhares de quilômetros na lateral e se elevam mais de mil quilômetros acima do limite núcleo-manto, ocupando cerca de 3 a 9% do volume da Terra. As ondas sísmicas de cisalhamento desaceleram cerca de 0,5 a 1% ao atravessar a parte rasa de cada província e até 3% em sua base. A que fica sob a África às vezes é apelidada de Tuzo e, de modo menos afetuoso, de bolha africana. Acredita-se amplamente que suas margens originem plumas mantélicas; o Rifte do Leste Africano, a Reunião, Tristão da Cunha e a Islândia foram todos associados a correntes ascendentes enraizadas nas bordas das LLSVPs.
Em maio de 2023, Debanjan Pal, doutorando de Ghosh, e a própria Ghosh publicaram um artigo na Geophysical Research Letters que reuniu tudo isso em uma história com começo. Usando o código de convecção em casca esférica CitcomS, eles assimilaram reconstruções da tectônica de placas dos últimos 140 milhões de anos e executaram 19 simulações de convecção do manto avançando no tempo. Variaram parâmetros de densidade e reologia de uma simulação para outra. Das 19, sete reproduziram tanto um baixo do geoide localizado no lugar certo quanto o padrão geoidal global mais amplo, superando uma correlação regional de 0,75 com o IOGL observado. O caso representativo deles, o Caso 1, ajustou-se à estrutura de temperatura de grande comprimento de onda da tomografia sísmica independente (o modelo TX2019S), com uma correlação entre 0,8 e 0,9 abaixo de 1.500 quilômetros de profundidade.
A história que esses modelos contam é a seguinte. Há cerca de 140 milhões de anos, a Índia fazia parte de Gondwana, situada onde Madagascar ainda está, separada da Eurásia por um vasto oceano intermediário chamado Tétis. Quando a Índia se desprendeu e disparou rumo ao norte, a cerca de 15 centímetros por ano, aproximadamente o dobro da velocidade da deriva tectônica mais rápida de hoje, segundo a análise da colisão feita por Jagoutz e Royden em 2015 na Nature Geoscience, o assoalho oceânico do Tétis foi sistematicamente consumido sob a margem sul da Ásia. A litosfera oceânica, fria e densa, afundou milhares de quilômetros manto adentro. Por volta de 50 milhões de anos atrás, a Índia colidiu com a Ásia e começou a erguer o Himalaia; nessa época, as bordas dianteiras das antigas placas subductadas do Tétis já haviam alcançado o limite núcleo-manto.
Esses cemitérios de placas, nos modelos de Pal e Ghosh, fizeram algo interessante. Perturbaram a LLSVP africana, dando um empurrão em sua margem leste. Material quente e de baixa densidade subiu da borda da LLSVP como uma pluma, foi conduzido para leste sob a veloz placa indiana e se acumulou no manto superior, entre cerca de 300 e 900 quilômetros de profundidade, sob o que hoje é o oceano Índico. O baixo do geoide que vemos hoje, constataram os modelos, só assumiu de fato sua forma atual há cerca de 20 milhões de anos, quando as plumas se espalharam lateralmente o bastante no manto superior para produzir um déficit de massa profundo e amplo. “O que estamos vendo é que o material quente e de baixa densidade vindo dessa LLSVP sob a África está situado sob o oceano Índico e criando esse baixo do geoide”, disse Ghosh à Scientific American quando o artigo foi publicado. A depressão no mar, na leitura deles, não é obra do Tétis diretamente, mas de seu fantasma: as placas enterradas há muito tempo de um oceano desaparecido, que ainda agitam o manto profundo centenas de milhões de anos depois.
O teste sísmico a partir do fundo do oceano Índico
Um modelo de convecção não é uma medição. Para saber se a história de Pal e Ghosh está certa, é preciso escutar o manto. O Centro Nacional de Pesquisa Polar e Oceânica (NCPOR) da Índia, por meio de um programa do Ministério das Ciências da Terra, vem tentando fazer exatamente isso. Nesse programa, equipes do NCPOR lideradas por Dhananjai Pandey instalaram, pela primeira vez na região, um arranjo linear concentrado de 17 sismômetros de banda larga de fundo oceânico (OBS, na sigla em inglês) atravessando o centro do IOGL. Os instrumentos ficaram no assoalho oceânico abissal, registrando terremotos telessísmicos de todo o mundo.
Os instrumentos revelaram algo impressionante. Em um artigo de 2022 na Tectonophysics, Sanjay S. Negi, Amit Kumar, Lachit S. Ningthoujam e Pandey usaram funções do receptor P-para-S do arranjo para mapear a zona de transição do manto, o intervalo de profundidade entre as descontinuidades sísmicas de 410 e 660 quilômetros, diretamente sob o IOGL. Encontraram um afundamento de ambas as descontinuidades ao longo de um trecho de cerca de 800 quilômetros de largura da zona de transição, com excessos de temperatura estimados de 140 a 558 K aos 410 km e de 200 a mais de 1.000 K aos 660 km. Um artigo complementar de Kumar e colegas, também na Tectonophysics, em 2022, usou velocidades de fase de ondas superficiais do mesmo arranjo e encontrou uma espessa zona de baixa velocidade no manto superior sob o baixo do geoide, compatível com material quente e flutuante.
Esta é a primeira evidência sísmica direta de uma anomalia térmica quente que se estende da zona de transição até a astenosfera sob o IOGL. Ela respalda o quadro geral de Pal e Ghosh, de uma anomalia de baixa densidade entre o manto superior e o médio, alimentada por uma pluma profunda. Mas não obtém uma imagem da conexão da pluma com a LLSVP africana. O arranjo de OBS é uma linha estreita demais para resolver isso. Ele confirma que há algo quente sob o baixo do geoide. Não mostra se esse calor se conecta, em profundidade, à LLSVP africana, onde os modelos de convecção situam sua origem.
A crítica: e a pluma da Reunião?
A objeção científica mais forte ao modelo de Pal e Ghosh veio de Alessandro Forte, geofísico da Universidade da Flórida que dedicou a carreira justamente a esse tipo de modelagem dinâmica do geoide. Em conversa com Jacopo Prisco, da CNN, em julho de 2023, Forte elogiou a inclusão de plumas quentes ascendentes, um avanço em relação aos modelos mais antigos, que simulavam apenas placas frias em afundamento, mas apontou uma omissão grave.
“O problema mais notável da estratégia de modelagem adotada pelos autores é que ela falha por completo em reproduzir a poderosa pluma mantélica dinâmica que entrou em erupção há 65 milhões de anos sob a atual localização da ilha da Reunião. A erupção de derrames de lava que cobriram metade do subcontinente indiano naquela época, produzindo os célebres Traps de Deccan, uma das maiores feições vulcânicas da Terra, há muito é atribuída a uma poderosa pluma mantélica que está completamente ausente da simulação do modelo.”
Não é uma omissão pequena. A erupção dos Traps de Deccan, no fim do Cretáceo, é um dos eventos de pluma mais bem documentados do registro geológico, com impressões digitais isotópicas e geoquímicas que a ligam diretamente ao atual ponto quente (hotspot) da Reunião. Se um modelo de convecção do manto que pretende explicar o campo gravitacional sob o oceano Índico atual não consegue gerar justamente a pluma que construiu os Traps de Deccan, algo importante está faltando. Forte também apontou discrepâncias entre o geoide global modelado e o observado sobre o Pacífico, a África e a Eurásia, sugerindo que o sucesso do Caso 1 pode ser em parte um ajuste local, e não uma explicação dinâmica globalmente consistente. Ele observou que os próprios autores relataram apenas “uma correlação moderada, em torno de 80%” entre os geoides previsto e observado, sem apresentar uma medida numérica precisa.
Ghosh foi franca quanto aos limites. “Não sabemos com precisão absoluta como era a Terra no passado”, disse ela à CNN. “Quanto mais você volta no tempo, menor é a confiança nos modelos… Mas acreditamos que a razão geral para esse baixo seja bastante clara.” Huw Davies, geodinamicista do manto na Universidade de Cardiff, ofereceu o meio-termo educado: o trabalho, disse ele, é “certamente interessante e descreve hipóteses interessantes, que deveriam estimular novas pesquisas sobre o tema”.
Esse é, grosso modo, o estado atual da questão. O modelo de Pal e Ghosh é a melhor explicação dinâmica e dependente do tempo que alguém já produziu para o IOGL. Ele é, em linhas gerais, compatível com a sismologia dos OBS. Ainda não foi confirmado sismicamente abaixo da zona de transição e não consegue reproduzir um dos maiores eventos de pluma conhecidos na mesma região.
O buraco gravitacional vai desaparecer algum dia?
O que quer que tenha produzido o IOGL ainda o está produzindo. Pal e Ghosh estimam que a anomalia assumiu sua forma atual apenas há cerca de 20 milhões de anos, quando as plumas do manto superior se espalharam lateralmente o bastante para deprimir o geoide. Enquanto material quente continuar fluindo da borda da LLSVP africana para o manto superior sob o oceano Índico, a depressão vai persistir. Mas as anomalias de massa na Terra profunda não são estáticas. O movimento das placas tectônicas está reembaralhando as placas em subducção, a própria LLSVP africana está se deformando lentamente e a placa indiana continua a avançar para o norte, contra a Ásia. “Quando as anomalias de temperatura que causam esse geoide baixo se deslocarem para fora da localização atual”, disse Pal à Scientific American, “o baixo do geoide começará a se dissipar”.
Nas escalas de tempo que importam para a dinâmica do manto, de dezenas a centenas de milhões de anos, o IOGL é uma feição transitória, mais jovem que a extinção dos dinossauros e aproximadamente da idade do Himalaia moderno. No fim, ele vai cicatrizar.
Por que o buraco gravitacional do oceano Índico importa
Além da satisfação de resolver um mistério geofísico de 75 anos, a história do IOGL tem um alcance real. Ela estreita o vínculo entre a geodésia por satélite, as missões GOCE e GRACE que mapearam o geoide com um detalhe sem precedentes, e a engrenagem convectiva do manto profundo, a mesma engrenagem que move a tectônica de placas, sustenta o campo magnético por meio do núcleo e molda a dinâmica da Terra profunda que só agora começamos a decifrar. Ela refina os referenciais de nível do mar usados em tudo, desde as análises de marégrafos voltadas ao clima até os modelos de circulação oceânica. E nos lembra de que até as feições maiores e de aparência mais estável de um globo são ecos de movimentos que ocorrem a centenas de quilômetros abaixo dos nossos pés. O mesmo manto profundo que esconde o equivalente a oceanos de água do manto profundo dentro da ringwoodita hidratada está, no oceano Índico, redesenhando lentamente a forma da superfície do planeta.
Perguntas frequentes
O que é o “buraco gravitacional” do oceano Índico?
É o baixo do geoide do oceano Índico (IOGL), uma região aproximadamente circular com cerca de três milhões de quilômetros quadrados de extensão, centrada a cerca de 1.200 km a sudoeste da ponta sul da Índia, onde a gravidade da Terra é mais fraca que a média. Por causa dessa atração mais fraca, a superfície de repouso do mar ali fica cerca de 106 metros abaixo da média global. É a maior anomalia gravitacional da Terra.
Por que o nível do mar é mais baixo sobre o baixo do geoide do oceano Índico?
O nível do mar acompanha o geoide, uma superfície equipotencial moldada pela distribuição de massa no interior da Terra. Sob o IOGL há um déficit de massa, uma região de material quente e de baixa densidade entre o manto superior e o médio, de modo que a atração gravitacional é mais fraca e a superfície de equilíbrio do mar afunda.
O que causa o baixo do geoide do oceano Índico?
No principal modelo de 2023, de Debanjan Pal e Attreyee Ghosh, placas em afundamento do antigo oceano Tétis perturbaram uma vasta estrutura quente sob a África (a Grande Província de Baixa Velocidade de Ondas de Cisalhamento africana), enviando plumas de material de baixa densidade que se acumularam no manto superior sob o oceano Índico. Esse déficit de massa, segundo os modelos, produziu o baixo do geoide, que assumiu sua forma atual há cerca de 20 milhões de anos. A explicação é respaldada por dados sísmicos de fundo oceânico, mas ainda não está totalmente confirmada em profundidade.
