I ricercatori sondano la roccia fusa per svelare i segreti più profondi della Terra

Nel profondo dei pianeti rocciosi come la Terra, il comportamento del ferro può influenzare notevolmente le proprietà dei materiali rocciosi fusi: proprietà che hanno influenzato il modo in cui la Terra si è formata ed evoluta.

In effetti, l’evoluzione del nostro intero pianeta potrebbe essere guidata dallo stato quantico microscopico di questi atomi di ferro. Una caratteristica speciale del ferro è il suo “stato di spin”, che è una proprietà quantistica degli elettroni in ciascun atomo di ferro che ne guida il comportamento magnetico e la reattività nelle reazioni chimiche. I cambiamenti nello stato di rotazione possono influenzare se il ferro preferisce trovarsi nella roccia fusa o in forma solida e quanto bene la roccia fusa conduce l’elettricità.

Fino ad ora, è stato difficile ricreare le condizioni estreme in questi materiali di roccia fusa, chiamati silicati fusi, per misurare lo stato di rotazione del ferro. Utilizzando potenti laser e raggi X ultraveloci, un team internazionale di ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia, dell’Università di Stanford, dell’Università di Grenoble Alpes, del Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI) e dell’Arizona State University hanno superato questa sfida . Hanno dimostrato che a pressioni e temperature estremamente elevate, il ferro nei silicati fonde per lo più ha uno stato di basso spin, il che significa che i suoi elettroni rimangono più vicini al centro e si accoppiano nei loro livelli energetici, rendendo il ferro meno magnetico e più stabile.

I risultati, pubblicati venerdì in Progressi della scienza, supportano l’idea che alcuni tipi di roccia fusa potrebbero essere stabili nelle profondità della Terra e di altri pianeti rocciosi, dando potenzialmente una mano nella creazione di campi magnetici. La ricerca ha potenziali implicazioni per la comprensione dell’evoluzione della Terra, l’interpretazione dei segnali sismici e persino lo studio degli esopianeti.

“In termini di esplorazione della storia della Terra, stiamo indagando sui processi che hanno avuto luogo oltre 4 miliardi di anni fa”, ha affermato il collaboratore Dan Shim, ricercatore presso l’Arizona State. “L’unico modo per studiarlo è utilizzare la tecnologia moderna che opera in femtosecondi. Il contrasto tra queste immense scale temporali è allo stesso tempo eloquente e sorprendente: è simile all’idea di una macchina del tempo.”

Bombardamento di asteroidi e oceani magmatici

Tra 4,3 e 4,5 miliardi di anni fa, la Terra primordiale subì intensi impatti, venendo colpita da asteroidi grandi quanto città. Questi impatti hanno prodotto così tanto calore che avrebbero potuto sciogliere completamente gli strati esterni del pianeta, creando un profondo oceano di roccia fusa.

“È stato teorizzato che sotto l’immensa pressione di questi impatti, la roccia fusa potrebbe essere diventata più densa della roccia solida”, ha detto Arianna Gleason, collaboratrice e scienziata dello SLAC. “Questo magma più denso sarebbe sprofondato verso il nucleo, catturando le tracce chimiche di quell’epoca. Alcuni credono che i resti di questo strato di magma possano esistere ancora oggi, contenendo indizi risalenti a 4,5 miliardi di anni fa. Vulcani come quelli delle Hawaii potrebbero rilasciare queste antiche sostanze chimiche”. firme, fornendoci uno sguardo al lontano passato della Terra.”

A profondità basse, la roccia fusa occupa più spazio dello stesso materiale quando è solido. Ma man mano che si va più in profondità e la pressione aumenta, questa differenza diminuisce. L’inclusione del ferro, in particolare il suo stato di spin, gioca un ruolo importante nel determinare queste proprietà. Precedenti ricerche hanno mostrato risultati contrastanti sullo stato di spin del ferro in condizioni simili: alcuni studi hanno riscontrato un rapido cambiamento nello stato di spin del ferro sotto alte pressioni, mentre altri hanno visto un cambiamento più lento e graduale.

Questo nuovo studio fornisce il primo sguardo diretto al comportamento del ferro nella roccia fusa reale in condizioni estreme.

“Anche se possiamo raccogliere molto dallo studio delle rocce e dei fossili, alcuni aspetti della storia primordiale della Terra sono andati perduti perché esistono pochi documenti di quel periodo”, ha detto Shim. “Questo è ciò che rende questo studio unico. La formazione della Terra è stata un processo tumultuoso, che ha comportato impatti intensi e che ha prodotto uno strato di roccia fusa a livello globale. La pressione in questo strato era immensa. Lo studiamo simulando le condizioni attraverso esperimenti di laboratorio.”

Presso la conigliera sperimentale Matter in Extreme conditions (MEC) presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, il team è stato in grado di ricreare le pressioni estreme che sarebbero state trovate nell’oceano magmatico della Terra primordiale facendo esplodere campioni con potenti laser che trasformano il solido il materiale in un silicato si scioglie in pochi nanosecondi. Quindi, gli scienziati hanno utilizzato impulsi di raggi X a femtosecondi provenienti da LCLS per studiare la struttura elettronica di elementi come il ferro in queste condizioni estreme, fornendo informazioni su come le configurazioni elettroniche cambiano in condizioni diverse e rivelando che il magma fuso è effettivamente diventato più denso di un solido sotto. condizioni specifiche.

“Con la comprensione delle dinamiche interne della Terra, possiamo perfezionare i modelli del movimento tettonico e di altri fenomeni geologici”, ha affermato Gleason. “Inoltre, poiché gli strati della Terra sono interconnessi, questi risultati hanno implicazioni per la scienza del clima”.

Comprendere il nostro pianeta

In questa ricerca il team si è concentrato sulle fusioni a basso contenuto di ferro. Ma man mano che il materiale piove verso il centro della Terra, si teorizza che assorba più ferro, rendendolo più denso. Successivamente, il team intende studiare le fusioni con un contenuto di ferro più elevato. Sperano anche di sperimentare scioglimenti contenenti acqua, migliorando la nostra comprensione del ciclo dell’acqua e del clima della Terra.

La ricerca potrebbe anche far luce sulle peculiari velocità sismiche nelle profondità del mantello terrestre. Queste anomalie hanno sconcertato gli scienziati per decenni. Alcune teorie suggeriscono che queste zone potrebbero essere resti di magma di 4,5 miliardi di anni fa, mentre altri credono che derivino da placche tettoniche che sono affondate all’interno della Terra, diffondendo materiale a basso punto di fusione. Confrontando diverse ipotesi utilizzando l’imaging sismico, il team mira a determinare le origini di queste zone e a distinguere tra materiali antichi e più recenti.

“Con l’avanzare della tecnologia, siamo in prima linea nell’affrontare grandi sfide che vanno dalla mineralogia alla scienza del clima, collegando varie aree di ricerca”, ha affermato lo scienziato e collaboratore dello SLAC Roberto Alonso-Mori. “L’enorme volume di informazioni che possiamo raccogliere ha trasformato le nostre capacità. È un punto di svolta. È esaltante sviluppare nuove tecniche e applicarle a domande urgenti con un team così diversificato.”