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Sotto il nucleo esterno fuso della Terra c’è una densa regione centrale: il nucleo interno, una sfera compatta costituita da una lega di ferro ed elementi leggeri compressa da oltre 3,3 milioni di atmosfere e riscaldata a temperature paragonabili alla superficie del Sole. Per molti anni i ricercatori hanno lottato per spiegare il suo comportamento insolito. Anche se il nucleo interno è solido, si comporta come un metallo ammorbidito, rallentando le onde di taglio sismiche e mostrando un rapporto di Poisson più simile al burro che all’acciaio. Questo paradosso sollevava una domanda fondamentale: come può il centro solido del pianeta apparire solido e tuttavia stranamente flessibile?
Un importante studio pubblicato sulla National Science Review offre una forte spiegazione. Il gruppo di ricerca riferisce che il nucleo interno della Terra non si comporta come un solido convenzionale, ma esiste in uno stato superionico in cui gli elementi leggeri si muovono attraverso una struttura stabile di ferro come se fossero liquidi. Questa scoperta rimodella la nostra immagine dello strato più profondo del pianeta.
L’indagine, condotta dal Prof. Youjun Zhang e dal Dr. Yuqian Huang dell’Università del Sichuan, insieme al Prof. Yu He dell’Istituto di Geochimica, Accademia Cinese delle Scienze, dimostra che le leghe ferro-carbonio passano in una fase superionica nelle condizioni estreme del nucleo interno. In questo ambiente, gli atomi di carbonio sfrecciano attraverso il reticolo del ferro ad alta velocità, riducendo notevolmente la rigidità della lega.
“Per la prima volta, abbiamo dimostrato sperimentalmente che la lega ferro-carbonio in condizioni di nucleo interno presenta una velocità di taglio notevolmente bassa.” ha detto il prof. Zhang. “In questo stato, gli atomi di carbonio diventano altamente mobili, diffondendosi attraverso la struttura cristallina del ferro come bambini che intrecciano una danza quadrata, mentre il ferro stesso rimane solido e ordinato. Questa cosiddetta “fase superionica” riduce drasticamente la rigidità della lega.”
Le prove sperimentali confermano le previsioni precedenti
Sebbene le simulazioni al computer nel 2022 suggerissero che il nucleo interno potesse assumere questa forma esotica, confermarlo in laboratorio si era rivelato difficile, fino ad ora. Utilizzando una piattaforma di compressione dinamica degli urti, i ricercatori hanno spinto campioni di ferro-carbonio a 7 chilometri al secondo, raggiungendo pressioni fino a 140 gigapascal e temperature vicine a 2600 Kelvin, riproducendo fedelmente l’ambiente che si trova nel nucleo interno.
Abbinando le misurazioni della velocità del suono in situ con simulazioni avanzate di dinamica molecolare, il team ha rilevato una drammatica perdita di velocità delle onde di taglio e un forte aumento del rapporto di Poisson. Questi risultati si allineano con le caratteristiche sismiche inaspettatamente morbide registrate all’interno della Terra. A livello atomico, i dati hanno mostrato che gli atomi di carbonio si muovono liberamente attraverso la struttura ordinata del ferro, indebolendolo senza causare il collasso del reticolo.
Un nucleo superionico che modella le dinamiche della Terra
Il modello superionico non solo tiene conto delle anomalie sismiche di lunga data, ma amplia anche la nostra comprensione di come il nucleo interno contribuisce ai processi interni della Terra. Il movimento degli elementi leggeri potrebbe spiegare l’anisotropia sismica – variazioni direzionali nella velocità delle onde sismiche – e potrebbe anche svolgere un ruolo nel sostenere il campo magnetico terrestre.
“La diffusione atomica all’interno del nucleo interno rappresenta una fonte di energia precedentemente trascurata per la geodinamo”, ha affermato il dottor Huang. “Oltre al calore e alla convezione compositiva, il movimento fluido degli elementi leggeri può aiutare ad alimentare il motore magnetico della Terra”.
Lo studio chiarisce anche i dibattiti sul comportamento degli elementi leggeri sotto pressione estrema. Le ricerche precedenti si concentravano principalmente su composti o leghe sostitutive, ma questo lavoro evidenzia il ruolo chiave delle soluzioni solide interstiziali (specialmente quelle che coinvolgono il carbonio) nel controllo delle proprietà fisiche del nucleo.
Un cambiamento nel modo in cui gli scienziati vedono il centro della Terra
Secondo il professor Zhang, questi risultati rappresentano un cambiamento importante nel modo in cui gli scienziati interpretano il nucleo interno. “Ci stiamo allontanando da un modello statico e rigido del nucleo interno verso uno dinamico”, ha spiegato.
Le implicazioni si estendono oltre la Terra. L’identificazione di una fase superionica nel nucleo interno potrebbe anche migliorare la nostra comprensione dell’evoluzione magnetica e termica in altri pianeti rocciosi ed esopianeti. Come osserva Zhang, “Comprendere questo stato nascosto della materia ci porta un passo avanti verso la scoperta dei segreti degli interni planetari simili alla Terra”.
Questa ricerca è stata sostenuta dalla National Natural Science Foundation of China, dal Sichuan Science and Technology Program e dal CAS Youth Interdisciplinary Team.
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Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com