Giugno 15, 2021

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Il nucleo della Terra è sbilanciato? Qualcosa di strano sta accadendo all’interno del nostro pianeta

Un taglio dal sottosuolo mostra che il nucleo interno solido e solido (rosso) cresce lentamente congelando il nucleo esterno di ferro liquido (arancione). Le onde sismiche viaggiano più velocemente attraverso il nucleo interno della Terra tra i poli nord e sud (frecce blu) che attraverso l’equatore (freccia verde). I ricercatori concludono che questa differenza nella velocità delle onde sismiche con la direzione (anisotropia) deriva da un allineamento preferito dei cristalli in via di sviluppo – leghe di ferro-nichel impaccate esagonali, che sono a loro volta anisotrope – parallele all’asse di rotazione della Terra. Credito: disegno di Daniel Frost

Un modello di come il nucleo interno della Terra si è solidificato in ferro solido suggerisce che potrebbe avere solo 500 milioni di anni.

Per ragioni sconosciute, il nucleo interno di ferro solido della Terra sta crescendo più velocemente dell’altro lato, e lo è da quando ha iniziato a solidificarsi dal ferro fuso più di mezzo miliardo di anni fa, secondo un nuovo studio condotto da sismologi sismici. Università della California, Berkeley.

La crescita più rapida sotto il Mare di Banda in Indonesia non ha lasciato sbilanciato il nucleo. La gravità distribuisce uniformemente la nuova crescita – cristalli di ferro che si formano quando il ferro fuso si raffredda – per mantenere un nucleo interno sferico che cresce di raggio a una velocità di 1 millimetro all’anno.

Ma la maggiore crescita da un lato suggerisce che qualcosa nel nucleo esterno della Terra o nel mantello sotto l’Indonesia sta rimuovendo il calore dal nucleo interno a un ritmo più veloce rispetto all’altro lato, sotto il Brasile. Un raffreddamento più rapido su un lato accelererebbe la cristallizzazione del ferro e la crescita del nucleo interno su quel lato.

Ciò ha implicazioni per il campo magnetico terrestre e la sua storia, perché la convezione nel nucleo esterno guidata dal rilascio di calore dal nucleo interno è ciò che oggi guida la dinamo che genera il campo magnetico che ci protegge dalle pericolose particelle del sole.

Crescita e movimento dei cristalli nel nucleo interno della Terra

Un nuovo modello per i sismologi dell’Università della California, Berkeley, suggerisce che il nucleo interno della Terra sta crescendo più velocemente sul suo lato orientale (a sinistra) che a ovest. La gravità compensa la crescita asimmetrica spingendo i cristalli di ferro verso i poli nord e sud (frecce). Questo tende ad allineare l’asse lungo dei cristalli di ferro lungo l’asse di rotazione del pianeta (linea tratteggiata), il che spiega i diversi tempi di viaggio delle onde sismiche attraverso il nucleo interno. Credito: disegno nautico di Lasplace

“Forniamo limiti abbastanza larghi sull’età del nucleo interno – tra mezzo miliardo e 1,5 miliardi di anni – che potrebbero essere utili nella discussione su come è stato creato il campo magnetico prima che esistesse il nucleo interno solido”, ha detto. Barbara Romanovich, Professore della UC Berkeley Graduate School nel Dipartimento di Scienze della Terra e dei Pianeti e Direttore Emerito del Berkeley Sismological Laboratory (BSL). “Sappiamo che il campo magnetico esisteva già circa 3 miliardi di anni fa, quindi altri processi devono aver guidato la convezione nel nucleo esterno in quel momento”.

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La giovane età del nucleo interno, all’inizio della storia della Terra, può significare che il calore che fa bollire il nucleo liquido proviene da elementi leggeri che si separano dal ferro, non dalla cristallizzazione del ferro, che vediamo oggi.

“Il dibattito sull’età del nucleo interno è in corso da molto tempo”, ha affermato Daniel Frost, assistente scienziato del progetto presso BSL. “La complessità è: se il nucleo interno è stato in grado di esistere solo per 1,5 miliardi di anni, in base a ciò che sappiamo su come perde calore e quanto diventa caldo, da dove viene il primo campo magnetico? Da qui l’idea di elementi leggeri sciolti che poi gelavano”.

congelare il ferro

La crescita asimmetrica del nucleo interno spiega un mistero vecchio di tre decenni: il ferro cristallizzato nel nucleo appare allineato preferenzialmente lungo l’asse di rotazione della Terra, più a ovest che a est, mentre ci si aspetterebbe che i cristalli siano casuali.

La prova di questo allineamento viene dalle misurazioni del tempo di trasmissione delle onde sismiche dai terremoti attraverso il nucleo interno. Le onde sismiche viaggiano più velocemente nella direzione dell’asse di rotazione nord-sud che lungo l’equatore, un’asimmetria che i geologi attribuiscono ai cristalli di ferro, asimmetrici, che hanno assi lunghi preferibilmente allineati lungo l’asse terrestre.

Se il nucleo è di ferro solido cristallino, come sono orientati preferenzialmente i cristalli di ferro in una direzione?

Nel tentativo di spiegare le osservazioni, Frost e i colleghi Maren Lasplace dell’Università di Nantes in Francia e Brian Chandler e Romanovich dell’Università della California, Berkeley, hanno creato un modello computerizzato della crescita dei cristalli nel nucleo interno che incorpora modelli di crescita geodinamici e la mineralofisica del ferro. Ad alta pressione e alta temperatura.

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“Il modello più semplice sembrava un po’ insolito: il nucleo interno è asimmetrico”, ha detto Frost. Il lato ovest ha un aspetto diverso dal lato est fino al centro, e non solo nella parte superiore del nucleo interno, come alcuni hanno suggerito. L’unico modo in cui possiamo spiegarlo è che una parte sta crescendo più velocemente dell’altra”.

Il modello descrive come la crescita asimmetrica – circa il 60% superiore a est rispetto a ovest – può orientare preferenzialmente i cristalli di ferro lungo l’asse di spin, con un allineamento maggiore a ovest rispetto a est, e spiega la differenza di velocità delle onde sismiche attraverso il nucleo interno.

“Ciò che proponiamo in questo articolo è un modello di non equilibrio di convezione solida nel nucleo interno che riconcilia le osservazioni sismiche con condizioni al contorno geodinamiche plausibili”, ha detto Romanovich.

Frost, Romanovich e i loro colleghi riporteranno le loro scoperte nel numero di questa settimana della rivista scienze naturali della terra.

L’interno della Terra dalle onde sismiche

Il sottosuolo è fatto di strati come una cipolla. Il nucleo interno solido di ferro-nichel – il raggio odierno di 1.200 chilometri (745 miglia), o circa tre quarti delle dimensioni della Luna – è circondato da un nucleo esterno liquido di ferro-nichel fuso di circa 2.400 chilometri (1.500 miglia) di spessore. Il nucleo esterno è circondato da una coltre di roccia calda spessa 2.900 chilometri (1.800 miglia) e ricoperta da una sottile crosta di roccia fresca in superficie.

La convezione si verifica sia nel nucleo esterno, che bolle lentamente quando il calore del ferro cristallizzato fuoriesce dal nucleo interno, sia nel mantello, dove le rocce più calde si muovono verso l’alto per portare questo calore dal centro del pianeta alla superficie. Il forte movimento di ebollizione del nucleo esterno del ferro liquido produce il campo magnetico terrestre.

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Secondo il modello al computer di Frost, che ha ideato con l’aiuto di Lasbleis, man mano che i cristalli di ferro crescono, la gravità ridistribuisce la crescita eccessiva est-ovest all’interno del nucleo interno. Questo movimento dei cristalli all’interno del solido abbastanza morbido del nucleo interno – che è vicino al punto di fusione del ferro a queste alte pressioni – allinea il reticolo cristallino lungo l’asse di rotazione terrestre in misura maggiore a ovest che a est.

Il modello prevede correttamente le nuove osservazioni dei ricercatori sui tempi delle onde sismiche che viaggiano attraverso il nucleo interno: l’anisotropia, o differenza nei tempi di viaggio paralleli e perpendicolari all’asse di rotazione, aumenta con la profondità ed è compensata dalla variazione più forte verso ovest di Terra. L’asse di rotazione è di circa 400 chilometri (250 miglia).

Il modello di crescita del nucleo interno fornisce anche limiti per il rapporto nichel-ferro al centro della Terra, ha detto Frost. Il suo modello non riproduce accuratamente le osservazioni sismiche a meno che il nichel non costituisca tra il 4% e l’8% del nucleo interno, all’incirca la stessa percentuale riscontrata nei meteoriti metallici che una volta si pensava fossero i nuclei dei pianeti nani nel nostro sistema solare. Il modello dice anche ai geologi quanto è viscoso il nucleo interno o il fluido.

“Suggeriamo che la viscosità del nucleo interno sia relativamente grande, che è un parametro di input di interesse per i geodinamici che studiano i processi di dinamo nel nucleo esterno”, ha detto Romanovich.

Riferimento: “The Dynamic History of the Inner Core Constrained by Seismic Variation” di Daniel A. Frost, Marin Lasplace, Brian Chandler e Barbara Romanovich, 3 giugno 2021, disponibile qui. scienze naturali della terra.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00761-w

Frost e Romanowicz sono stati supportati da sovvenzioni della National Science Foundation (EAR-1135452, EAR-1829283).