Dicembre 7, 2021

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Le condizioni di iper-stress nel nucleo esterno della Terra sono state ricreate in laboratorio

Migliaia di chilometri sotto la superficie terrestre, sotto pressioni e temperature estreme, si trova il nucleo del pianeta. C’è un nucleo interno costituito da una sfera solida di nichel-ferro che ruota superficialmente all’interno del nucleo esterno, dove il ferro e il nichel sono liquidi.

Le condizioni di questo nucleo esterno sono state ora ricreate in laboratorio da un team guidato dal fisico Sebastian Merkel dell’Università di Lille in Francia, in modo tale che gli scienziati siano stati in grado di osservare la deformazione strutturale del ferro.

Questo non solo ha implicazioni per la comprensione del nostro pianeta, ma potrebbe aiutarci a capire meglio cosa succede quando pezzi di ferro si scontrano nello spazio.

“Non abbiamo creato condizioni sostanziali interamente interne”, Il fisico Arianna Gleeson ha detto: Dallo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. “Ma abbiamo raggiunto le condizioni del nucleo esterno del pianeta, il che è davvero fantastico”.

In condizioni normali della Terra, la struttura cristallina del ferro è A reticolo del cubo. Gli atomi sono disposti in una griglia, con gli atomi nell’angolo di ogni cubo e uno al centro. Quando il ferro viene compresso a pressioni estremamente elevate, questo reticolo cambia forma e si deforma in a struttura esagonale. Ciò consente di impacchettare più atomi nello stesso volume di spazio.

Ma è difficile dire cosa sta succedendo anche a pressioni e temperature più elevate, come quelle nel nucleo terrestre. Tuttavia, negli ultimi anni la tecnologia laser è progredita al punto che, in ambienti di laboratorio, piccoli campioni possono essere esposti a condizioni estreme, come le pressioni e le temperature riscontrate nelle stelle nane bianche.

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Il team di SLAC ha schierato due laser. Il primo è un laser ottico, che spara un campione microscopico di ferro e gli applica uno shock che crea pressione e calore estremi.

Le pressioni del nucleo esterno della Terra vanno da 135 a 330 gigapascal (da 1,3 a 3,3 milioni di atmosfere) e temperature tra 4.000 e 5.000 K (da 3727 a 4727 °C, o da 6.740 a 8.540 °F).Pressione e temperature fino a 4070 K .

La parte successiva, e probabilmente la più difficile, è stata la misurazione della struttura atomica del ferro durante questo processo. A tale scopo, il team ha utilizzato il laser Linac Coherent Light Source (LCLS) privo di raggi X, che ha esaminato il campione mentre sparava la luce laser.

“Siamo stati in grado di effettuare una misurazione in un miliardesimo di secondo”, Gleeson ha detto. “Congelare gli atomi dove si trovano in quei nanosecondi è davvero emozionante”.

Le immagini risultanti, raggruppate in una sequenza, hanno rivelato che il ferro risponde allo stress aggiuntivo causato da queste condizioni dal gemellaggio. Ciò si verifica quando il reticolo cristallino diventa così compatto che alcuni punti del reticolo sono condivisi da più cristalli in modo simmetrico.

(S. Merkel / Università di Lille, Francia)

Per il ferro in condizioni di nucleo esterno, ciò significa che la disposizione atomica viene spinta in modo che gli esagoni ruotino di circa 90 gradi. Questo meccanismo consente al metallo di resistere alle punte, hanno detto i ricercatori.

“Il gemellaggio consente al ferro di essere incredibilmente forte – più forte di quanto pensassimo inizialmente – prima che inizi a fluire plasticamente su scale temporali molto più lunghe”, Gleeson ha detto.

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Ora che sappiamo come si comporta il ferro in queste condizioni, queste informazioni possono essere incorporate in modelli e simulazioni. Ciò ha importanti implicazioni per il modo in cui comprendiamo la collisione spaziale, ad esempio. Il nucleo della Terra giace ordinatamente all’interno di un pianeta, ma ci sono asteroidi così metallici che pensiamo siano i nuclei scoperti e scoperti dei pianeti che interrompono la loro formazione.

Questi oggetti possono scontrarsi con altri oggetti che possono deformare la struttura in ferro al loro interno. Ora abbiamo un’idea migliore di come ciò avvenga. E, naturalmente, ora sappiamo di più sul nostro pianeta.

“Il futuro è luminoso ora che abbiamo sviluppato un modo per effettuare queste misurazioni”, Gleeson ha detto.

“Ora possiamo dare un pollice in su e un pollice in su per alcuni modelli fisici di base dei meccanismi di deformazione. Ciò aiuta a costruire parte del potere predittivo che ci manca per modellare il modo in cui i materiali rispondono in condizioni estreme”.

La ricerca è stata pubblicata in messaggi di revisione fisica.