Il nucleo interno della Terra è uno strano pasticcio di fluidi super-ionizzati

terra interno Nucleo Secondo uno studio di simulazione al computer.

Un team di fisici ha recentemente modellato il modo in cui le leghe di ferro ed elementi più leggeri come idrogeno, carbonio e ossigeno si comportano a temperature e pressioni estremamente elevate al centro del nostro pianeta. In queste condizioni la parte ferrosa dell’impasto rimaneva solida, ma gli elementi più leggeri venivano chiamati a liquido super ionizzato: uno stato più elastico di un solido, ma non proprio fluido come un liquido.

Secondo il fisico Yu He, dell’Accademia cinese delle scienze, e colleghi pubblicati sulla rivista a febbraio naturaquesta miscela di ferro solido e idrogeno, carbonio o ossigeno super-ionizzato potrebbe spiegare alcune delle cose molto sconcertanti che i sismologi hanno osservato nelle profondità interne del nostro pianeta.

Cosa c’è di nuovo – Le simulazioni di lui e dei colleghi suggeriscono che in condizioni nel nucleo interno, una semplice lega ferro-carbonio può trasformarsi in qualcosa con una struttura più complessa. Questo, a sua volta, potrebbe spiegare alcune delle cose molto sconcertanti che i sismologi hanno osservato nelle profondità interne del nostro pianeta.

Nei modelli informatici basati su Meccanica quantisticaLui e i suoi colleghi hanno simulato cosa sarebbe successo a una miscela di ferro fuso e varie combinazioni di idrogeno, carbonio e ossigeno a temperature di circa 5.200 gradi Celsius e pressioni di circa 3,6 milioni di atmosfere. Ecco com’è il nucleo interno della Terra, che inizia a circa 5.300 chilometri sotto i nostri piedi.

E si scopre che in queste condizioni il ferro diventa un solido; I suoi atomi rimangono in un posto, vibrando silenziosamente. Ma gli atomi di elementi più leggeri, come quelli che secondo lei e i suoi colleghi potrebbero far parte della miscela di magma nel nucleo terrestre, rimbalzano di più, scorrendo quasi, ma non del tutto, come un liquido. Il risultato è una solida struttura di atomi di ferro, con una miscela liquida di atomi più leggeri che galleggia negli spazi tra di loro.

Quando lui e i suoi colleghi hanno simulato il modo in cui le onde sismiche si muovono attraverso il loro modello del nucleo interno della Terra, i risultati sono sembrati molto simili ai dati sismici del mondo reale. Ciò ha detto ai ricercatori che il loro modello era una spiegazione plausibile di ciò che sta accadendo nel cuore del nostro pianeta. Ha anche suggerito che i superfluidi ionici nel nucleo terrestre potrebbero spiegare Come mai Le onde sismiche si muovono attraverso il nucleo interno come fanno.

Ecco lo sfondo – Durante un terremoto, alcune onde sismiche, dette di superficie, viaggiano lungo la crosta terrestre; Altre, chiamate onde del corpo, passano direttamente attraverso l’interno del pianeta. Misurare la velocità con cui le onde del corpo passano attraverso gli strati del pianeta e come le loro proprietà cambiano lungo il percorso può rivelare informazioni sulla struttura del nostro pianeta. Le onde corporee, ad esempio, sono il modo in cui sappiamo che il nucleo terrestre ha due strati e lo strato esterno è costituito principalmente da ferro liquido.

La misurazione delle onde sismiche che attraversano il nucleo terrestre ha anche detto agli scienziati che era fatto di qualcosa di leggermente meno denso del ferro puro. È probabile che elementi più leggeri come idrogeno, carbonio e ossigeno facciano parte della miscela, formando una miscela chiamata lega. Questi elementi sono probabilmente sospetti perché sono tre dei quattro elementi più comuni nel nostro sistema solare e hanno fatto parte dell’interno della Terra sin dalla formazione del pianeta.

Tuttavia, i sismologi hanno notato che alcune onde sismiche che passano attraverso il nucleo interno della Terra rallentano molto più di quanto dovrebbero se attraversano una sfera solida di lingotto di ferro uniformemente miscelato. Ciò significa che qualcos’altro deve accadere nel nucleo interiore.

“Le osservazioni sismologiche indicano che la struttura del nucleo interno è complessa e difficile da capire”, scrivono lei e i colleghi nel loro articolo, ma affermano che le loro recenti simulazioni potrebbero indicare la risposta a quelli che chiamano “i misteri sismici di vecchia data del nucleo interno.”

Perchè importa – Lui e i suoi colleghi affermano che il loro modello può spiegare perché le onde sismiche rallentano mentre attraversano il nucleo interno della Terra, nonché perché le onde sismiche attraversano il centro della Terra il 3% più velocemente da un polo all’altro rispetto all’equatore.

Le onde di pressione, come le onde sonore e le onde sismiche, viaggiano più velocemente attraverso materiali più densi. I superfluidi ionici sono meno densi dei solidi; I suoi atomi divergono e si muovono più liberamente. Ciò significa che le onde sismiche non viaggeranno attraverso un liquido superionizzato alla stessa velocità attraverso un solido, il che potrebbe spiegare perché le onde sismiche rallentano il loro percorso attraverso il nucleo interno della Terra.

Nel frattempo, mentre gli atomi di ferro nel nucleo interno sono solidi e fissi, gli elementi ultra-ionici più leggeri sono costantemente in movimento. L’interno della Terra è caldo, ma alcune aree sono più calde di altre. Questo genera un movimento di agitazione costante chiamato convezione, perché il materiale caldo tende a salire mentre il materiale più freddo tende ad affondare. La convezione nel mantello terrestre provoca il movimento delle placche tettoniche, producendo terremoti le cui onde sismiche ci aiutano a capire il nucleo.

Nel nucleo interno, se lei e i suoi colleghi hanno ragione, la convezione manterrà in movimento il liquido superionico, che scorre tra i solidi reticoli degli atomi di ferro. Questo flusso continuo può significare che alcune parti del nucleo interno possono contenere più parti solide di altre o più fluide. Questo potrebbe spiegare perché le onde sismiche si muovono leggermente più velocemente da un polo all’altro.

“Questo fenomeno potrebbe fornire una spiegazione alternativa per i diversi tempi di percorrenza di terremoti simili”, scrivono lei e colleghi.

Una migliore comprensione di come i fluidi superionici nel nucleo della Terra potrebbero aiutarci a capire anche altri mondi. Alcuni scienziati planetari hanno anche suggerito che potrebbero esistere superfluidi ionici all’interno di giganti di ghiaccio come Nettuno e Urano e pianeti esterni di dimensioni simili.

Cosa poi – La Terra ha un campo magnetico perché anche il ferro liquido nel nucleo esterno si muove grazie alla convezione, e questo movimento crea un gigantesco elettromagnete al centro del nostro pianeta. Lui e i suoi colleghi suggeriscono che il campo magnetico terrestre potrebbe anche influenzare il modo in cui il carbonio massiccio, l’idrogeno e l’ossigeno si muovono nel nucleo interno.

D’altra parte, nelle profondità dei pianeti giganti di ghiaccio Nettuno e Urano, i fluidi superionici convettivi possono influenzare i campi magnetici dei pianeti.

Ci vorranno più ricerche per capire se esiste una relazione tra campi magnetici e fluidi superionici nel nucleo interno della Terra, ma i risultati potrebbero dirci qualcosa di nuovo sulla dinamo che alimenta il nostro pianeta.