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ricerca Emergenti dall’alta pressione e ad alta temperatura, esperimenti suggerisce che il nucleo interno della Terra potrebbe essere un “planetario babe” poco meno di un miliardo di anni più giovane, oltre la Terra, gli oceani, l’atmosfera e i suoi abitanti.,

Questi risultati rappresentano una svolta drastica da come gli scienziati pensavano che il nucleo interno della Terra progredisse dai suoi inizi fusi ad oggi—e una fonte di un dibattito controverso tra i geoscienziati.

L’incertezza risiede nelle misurazioni contrastanti delle proprietà fondamentali del metallo. Non è chiaro in che modo il ferro e le leghe di ferro conducano il calore all’interno del nucleo, rendendo difficile per i ricercatori descrivere come il nucleo si è raffreddato nel tempo. Fisici minerali, geofisici, fisici della materia condensata e dinamicisti stanno tutti cercando di definire una risposta.,

“È un momento molto provocatorio al momento, direi, in termini di studi di base”, ha detto Quentin Williams, professore di scienze della Terra e planetarie all’Università della California, Santa Cruz.

Negli ultimi dieci anni, gli scienziati hanno inventato nuovi modi per spremere campioni di metallo a pressioni estreme durante le riprese laser per riscaldare i campioni a temperature calde come la superficie del sole. Gli esperimenti sono difficili, tuttavia, e un consenso è sfuggente., Nello stesso numero della rivista Nature, giugno 2016, due gruppi di ricerca hanno pubblicato i risultati di esperimenti separati ad alta pressione e ad alta temperatura, con risultati drasticamente diversi.

“È un argomento molto importante perché è fondamentalmente la condizione al contorno per la storia termica della Terra”, ha detto Ronald Cohen, ricercatore presso la Carnegie Institution for Science di Washington, DC., La risposta potrebbe riscrivere la nostra comprensione della storia della Terra, aprendo la strada a scoperte nelle dinamiche della Terra in superficie, come il vulcanismo e la tettonica a placche, e aiutando a chiarire mondi lontani.

Generatore elettrico della Terra

“Penso che tutti siano d’accordo sul fatto che sia il mantello che il nucleo si stanno raffreddando”, ha detto Peter Olson, professore a contratto di scienze della Terra e planetarie all’Università del New Mexico. “Quello che vorremmo sapere meglio è quanto velocemente.,”

Il nucleo della Terra è fatto in gran parte di ferro, ed è diviso in due parti: una piccola sfera cristallizzata di ferro indurito al centro della Terra, chiamata nucleo interno, e un nucleo esterno liquido che circonda il nucleo interno con una” massa di metallo fuso”, ha detto Williams. Gli scienziati hanno ipotizzato nuclei di ferro interni ed esterni dal 19 ° secolo sulla base della composizione dei meteoriti.

Possiamo ringraziare il nucleo per la vita fiorente sulla Terra., La convezione nel nucleo esterno sostiene il campo magnetico che ci protegge dalla radiazione solare dura e mantiene intatta la nostra atmosfera. Mentre il ferro liquido scorre attraverso un campo magnetico debole, crea una corrente elettrica all’interno del pianeta. A sua volta, questa corrente induce un campo magnetico secondario, che induce ulteriormente una corrente all’interno del nucleo. Questo loop crea un generatore elettrico di dimensioni planetarie nel cuore del nostro pianeta chiamato geodynamo.,

I ricercatori avevano ipotizzato che il nucleo interno debba essere molto vecchio perché la ricerca risalente a decenni fa ha trovato impronte digitali del geodynamo nelle rocce più antiche della Terra, risalenti a quasi 4 miliardi di anni fa.

E in effetti, l’idea di un vecchio nucleo interno “sembrava ragionevole”, ha detto Kei Hirose, professore di geofisica all’Università di Tokyo e direttore del Earth-Life Science Institute presso il Tokyo Institute of Technology. Ha controllato la casella importante: un vecchio nucleo interno ha alimentato il geodynamo per miliardi di anni guidando la convezione termica nel nucleo esterno.,

La metallurgia dà una mano

Ma Hirose notò che poche persone avevano misurato la conduttività termica del ferro in condizioni estreme, e i pochi studi che erano stati completati, usando esperimenti con onde d’urto, avevano grandi incertezze e non erano facilmente riproducibili. La conduttività termica potrebbe essere un valore cruciale per bloccare le dinamiche del nucleo: il nucleo si raffredda sia per convezione che per conduzione e la velocità con cui conduce il calore controlla quanto calore è rimasto per guidare la convezione.,

La letteratura scientifica elencava i valori per la conduttività, ma i valori erano “altamente speculativi”, ha affermato Hirose. Quindi, invece, il team si è rivolto alla ricerca da un campo diverso da una scienza basata su antiche civiltà: la metallurgia. La metallurgia è lo studio dei metalli, e le sue origini risalgono ai primi insediamenti umani quando forgiare i metalli era il biglietto per fortificare gli eserciti. La metallurgia vive oggi come una branca della scienza dei materiali incaricata della lavorazione dei minerali e dei metalli.

“Tale letteratura non era nota nella comunità delle geoscienze”, ha detto Hirose., Pettinando le carte metallurgiche e conducendo esperimenti ad alta temperatura in laboratorio, il team di Hirose ha concluso che le presunte relazioni tra resistività elettrica e ferro si sono interrotte ad alte temperature, suggerendo che la conduttività termica del ferro era in realtà piuttosto alta. Se i loro risultati erano corretti, il nucleo si stava raffreddando molto, molto rapidamente.

La scoperta “ha rotto tutti i modelli”, ha detto John Hernlund, professore e vice direttore dell’Earth-Life Science Institute., Hernlund, Hirose e altri hanno scritto i risultati in un articolo bomba nel 2013 che “ha creato un terremoto virtuale nella comunità geofisica”, ha detto Hernlund.

In una prospettiva pubblicata sulla rivista Science più tardi quell’anno, Olson chiamò il problema il “nuovo paradosso del nucleo.” Se il nucleo si sta raffreddando molto più velocemente di quanto pensassimo, “il modo migliore per aggirare questo paradosso è pensare oltre il modello standard di core evolution”, ha scritto Olson. Se il nucleo interno era, infatti, molto giovane, i ricercatori avevano bisogno di spiegare meglio come il geodynamo è guidato.,

Lavoro di laboratorio rivestito di diamanti

Il documento scientifico ha scatenato una raffica di nuovi esperimenti e indagini sulla teoria.

I due documenti pubblicati nello stesso numero di Nature nel 2016 hanno mostrato aspetti sperimentali sul blocco del comportamento termico del nucleo.

Gli autori di entrambi i documenti hanno utilizzato diamond anvil cells, un dispositivo da laboratorio ad alta pressione. Le celle contengono due diamanti, lucidati perfettamente in coni con le loro punte rasate. Gli scienziati mettono una sottile fetta di ferro—non più spessa di un capello umano—tra le punte dei diamanti.

Per decenni, gli scienziati hanno approfittato del minerale più duro della Terra, il diamante, per esperimenti di laboratorio., Nessun altro minerale può graffiarlo, e quando due diamanti opposti sono perfettamente allineati, possono pizzicare una fetta di ferro a pressioni molto maggiori di quelle del nucleo terrestre.

Hirose, che ha usato frequentemente le cellule incudine di diamante in laboratorio, ha detto che anche se i diamanti sono forti, la minima variazione di forma può causare loro di rompere sotto alte pressioni. Lucidatori esperti levigano i lati dei diamanti entro 1 micrometro, la larghezza di un piccolo batterio. Hirose ha definito un tecnico particolarmente esperto “il nostro tesoro”, perché pochi possono raggiungere tale precisione.,

I diamanti hanno anche un altro vantaggio: i ricercatori possono sparare laser attraverso i loro lati traslucidi per inviare un impulso di calore nel campione. Entrambi gli studi hanno utilizzato i laser per riscaldare i loro campioni a migliaia di kelvin.

A Tale of Two Papers

In uno degli esperimenti diamond anvil, un team di Washington, DC, ha misurato la conduttività termica del ferro utilizzando due laser per riscaldare rapidamente il campione e misurare il suo cambiamento di temperatura dedotto.,

Nell’altro esperimento, un diverso team di ricerca con sede a Tokyo ha misurato la conduttività elettrica del ferro, una proprietà strettamente correlata alla conduttività termica, e quindi ha utilizzato una relazione empirica per calcolare la conduttività termica.

I documenti hanno trovato risultati contraddittori e le loro discrepanze rivelano quanto possano essere difficili gli esperimenti ad alta pressione. Il gruppo di Tokyo ha proposto un valore di conducibilità termica di 88 (+29/-13) watt per metro kelvin al limite del nucleo-mantello, mentre il gruppo di Washington, DC, ha proposto 25 (±7) watt per metro kelvin., La disparità nei valori può sembrare piccola, ma potrebbe significare la differenza tra un nucleo interno che ha miliardi di anni e un nuovo arrivato relativo alla struttura interna della Terra.

Le differenze sperimentali “potrebbero avere a che fare con l’orientamento del cristallo preferito nei campioni”, ha detto Stewart McWilliams, ricercatore presso l’Università di Edimburgo e coautore dello studio del team di Washington, DC.,

Hirose, che ha guidato il team in Giappone, ha convenuto che la pressione utilizzata per comprimere i campioni avrebbe influenzato l’orientamento dei grani di cristallo nel ferro, e le due squadre avevano effettivamente preso misure perpendicolari l’una all’altra.

Stewart ha detto che lui e gli altri sono ora concentrandosi sulla modellazione degli errori sistematici negli esperimenti che potrebbero bias misurazioni. Questi errori “vanno un po’ ” nello spiegare le discrepanze, “ma non abbastanza”, ha detto.

Il tempo dirà se una via di mezzo è la risposta., Quentin Williams, che non era coinvolto in uno studio e pubblicato una recensione di conducibilità termica di ricerca in rivista Annuale Recensioni di Earth and Planetary Sciences, ha scritto che “tuttavia, pur riconoscendo che intermedi affermazioni sono molto pericolosi…non sarebbe sorprendente (per questo autore) se i valori di conduttività termica, con un miglioramento teorico e sperimentale perfezionamenti, in definitiva convergenza dei valori all’interno di una vasta gamma di 35 e gli 80 watt per metro kelvin alle condizioni della parte superiore del nucleo esterno.,”

Un compromesso compositivo

Quando la Terra si è coalizzata da un cumulo di macerie omogeneo nel suo stato differenziato e stratificato, il suo materiale separato dalla densità. Materiale vivace come acqua, aria e silicati rimase in cima e nel mezzo, e materiale denso come il ferro affondò al centro.

Ma secondo la ricerca sismica che risale alla metà del 20 ° secolo, il nucleo della Terra non è ferro puro., Le misurazioni sismiche mostrano che è circa il 10% meno denso del ferro puro ed è composto da leghe probabilmente tra cui nichel e qualche ricetta speciale di elementi più leggeri, forse silicio, ossigeno, magnesio e carbonio.

Questa potrebbe essere una buona notizia per il paradosso principale, tuttavia. La presenza di elementi più leggeri può spingere la convezione nel nucleo, dando al geodynamo una fonte di convezione anche se la convezione termica è troppo debole. Se gli elementi più leggeri causano la convezione, questa fonte di galleggiabilità dà un work-around al paradosso di base.,

Cohen, Hirose e molti altri stanno studiando l’effetto degli elementi più leggeri sul trasporto di calore nel nucleo. ” È una domanda totalmente, totalmente aperta”, ha detto Hirose.

Nuovi studi di follow-up stanno aumentando la posta pure. Kenji Ohta, professore associato in Scienze della Terra e planetarie al Tokyo Institute of Technology, ha detto che il suo laboratorio sta esplorando un modo per fondere campioni ad alte temperature e pressioni, qualcosa che porta gli scienziati un passo più vicino a imitare il nucleo esterno liquido della Terra. Studi precedenti sono stati condotti, per la maggior parte, su campioni solidi.,

“Questa è roba eccitante”, ha detto Williams della gara per trovare una risposta. La questione del nucleo e dell’evoluzione termica della Terra ” rappresenterà una sfida per i prossimi 15 anni per la comunità.”

” È il problema fondamentale nell’evoluzione della Terra e nell’evoluzione del nostro campo magnetico”, ha aggiunto Williams. “È qualcosa che alla fine deve solo essere capito. E così, quando sfide come questa sono poste alla comunità, a volte si risponde lentamente perché ottenere una buona risposta è difficile. Ma alla fine, riceveranno una risposta. Sono molto ottimista al riguardo.,”

—Jenessa Duncombe (@jrdscience), Staff Writer

Ringraziamenti

Eos ringrazia il nostro consulente scientifico Sébastien Merkel, Mineral and Rock Physics, per aver contribuito a sviluppare il nostro argomento speciale di luglio sugli esperimenti ad alta pressione e ad alta temperatura, che include questo articolo.