Il nucleo interno della Terra è uno strano pasticcio di fluidi superionici

di terra interno secondo uno studio di simulazione al computer, il nucleo potrebbe essere costituito da elementi di luce fluida che vorticano in mezzo a un solido reticolo di ferro.

Un team di fisici ha recentemente modellato il modo in cui leghe di ferro ed elementi più leggeri come idrogeno, carbonio e ossigeno si comporterebbero a temperature e pressioni estremamente elevate al centro del nostro pianeta. In quelle condizioni, la parte ferrosa della miscela è rimasta solida, ma gli elementi più leggeri sono diventati quello che viene chiamato un fluido superionico: uno stato più fluido di un solido, ma non proprio fluido come un liquido.

Secondo il fisico della carta Yu He, dell’Accademia cinese delle scienze, e i suoi colleghi hanno pubblicato a febbraio sulla rivista Naturaquesta combinazione di ferro solido e idrogeno, carbonio o ossigeno superionico potrebbe spiegare alcune cose molto sconcertanti che i sismologi hanno osservato sulle profondità interne del nostro pianeta.

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

In modelli computerizzati basati sulla meccanica quantistica, lui e i suoi colleghi hanno simulato cosa sarebbe successo a miscele fuse di ferro e diverse 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 atomi di elementi più leggeri, come quelli che secondo lui e i suoi colleghi fanno molto probabilmente parte del miscuglio di materia fusa 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 fluida di atomi più leggeri che galleggiano negli spazi tra di loro.

Quando lui e i suoi colleghi hanno simulato il modo in cui le onde sismiche si sarebbero mosse attraverso il loro modello del nucleo interno della Terra, i risultati sembravano molto simili ai dati sismici del mondo reale. Ciò ha detto ai ricercatori che il loro modello era una spiegazione plausibile di ciò che accade nel nucleo del nostro pianeta. Ha anche suggerito che i fluidi superionici nel nucleo terrestre potrebbero spiegare perché 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 proprio 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 del corpo, ad esempio, sono il modo in cui sappiamo che il nucleo terrestre ha due strati e che lo strato esterno è principalmente ferro liquido.

La misurazione delle onde sismiche che passano attraverso il nucleo terrestre ha anche detto agli scienziati che è fatto di qualcosa di leggermente meno denso del ferro puro. Elementi più leggeri come idrogeno, carbonio e ossigeno fanno probabilmente parte del mix, formando una combinazione 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 da quando il pianeta si è formato.

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 una lega di ferro uniformemente miscelata. Ciò significa che qualcos’altro deve accadere nel nucleo interiore.

“Le osservazioni sismologiche suggeriscono che la struttura del nucleo interno è complicata e difficile da capire”, hanno scritto He e i suoi colleghi nel loro articolo, ma affermano che le loro recenti simulazioni potrebbero indicare la risposta a quelli che chiamano i puzzle sismici di vecchia data. del nucleo interiore”.

Urano e Nettuno sono gli unici “giganti di ghiaccio” conosciuti nel nostro Sistema Solare e potrebbero essere dei rifugi per i fluidi superionici. Nasa

Perchè importa – Lui e i suoi colleghi affermano che il loro modello potrebbe spiegare perché le onde sismiche rallentano mentre attraversano il nucleo interno della Terra, nonché perché le onde sismiche attraversano il centro della Terra circa 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 fluidi superionici sono meno densi dei solidi; i loro atomi sono più distanti e si muovono più liberamente. Ciò significa che le onde sismiche non viaggeranno attraverso un fluido superionico così velocemente come attraverso un solido, il che potrebbe spiegare perché le onde sismiche rallentano nel loro percorso attraverso il nucleo interno della Terra.

Nel frattempo, mentre gli atomi di ferro nel nucleo interno sono solidi e stazionari, gli elementi superionici più leggeri sono in costante movimento. L’interno della Terra è caldo, ma alcune aree sono più calde di altre. Ciò 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 fa muovere le placche tettoniche, producendo i terremoti le cui onde sismiche ci aiutano a capire il nucleo.

Nel nucleo interno, se lui ei suoi colleghi hanno ragione, la convezione manterrebbe in movimento il fluido superionico, che scorre tra il solido reticolo di atomi di ferro. Quel flusso costante potrebbe significare che alcune parti del nucleo interno potrebbero contenere più bit solidi di altri o più fluidi. E questo potrebbe spiegare perché le onde sismiche si muovono un po’ più velocemente da un polo all’altro.

“Questo fenomeno può fornire un’interpretazione alternativa dei diversi tempi di percorrenza di terremoti simili”, hanno scritto He e i suoi colleghi.

Una migliore comprensione di come funzionano i fluidi superionici nel nucleo terrestre potrebbe aiutarci a capire anche altri mondi. Alcuni scienziati planetari hanno anche suggerito che potrebbero esistere fluidi superionici all’interno di giganti di ghiaccio come Nettuno, Urano ed esopianeti di dimensioni simili.

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

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

Ci vorranno ulteriori ricerche per capire se esiste una connessione 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.

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