Anche se è più caldo della superficie del Sole, il nucleo di ferro cristallizzato della Terra rimane solido. Un nuovo studio del KTH Royal Institute of Technology in Svezia potrebbe finalmente risolvere un dibattito di lunga data su come ciò sia possibile, così come il motivo per cui le onde sismiche viaggiano a velocità più elevate tra i poli del pianeta rispetto all'equatore.

La rotazione all'interno del nucleo fuso della Terra è una sfera di cristallo - in realtà una formazione di massa di ferro cristallizzato quasi puro - quasi delle dimensioni della luna. Capire questo strano, La caratteristica inosservabile del nostro pianeta dipende dalla conoscenza della struttura atomica di questi cristalli, qualcosa che gli scienziati hanno cercato di fare per anni.

Come tutti i metalli, le strutture cristalline su scala atomica del ferro cambiano a seconda della temperatura e della pressione a cui il metallo è esposto. Gli atomi sono impacchettati in variazioni di cubo, così come formazioni esagonali. A temperatura ambiente e pressione atmosferica normale, il ferro si trova in quella che è nota come fase cubica a corpo centrato (BCC), che è un'architettura di cristallo con otto punti angolari e un punto centrale. Ma ad altissima pressione le strutture cristalline si trasformano in forme esagonali a 12 punte, o una fase ravvicinata (HCP).

Al centro della Terra, dove la pressione è 3,5 milioni di volte superiore alla pressione superficiale e le temperature sono circa 6, 000 gradi più in alto:gli scienziati hanno proposto che l'architettura atomica del ferro debba essere esagonale. Se il ferro BCC esiste nel centro della Terra è stato dibattuto negli ultimi 30 anni, e un recente studio del 2014 lo ha escluso, sostenendo che BCC sarebbe instabile in tali condizioni.

Però, in un recente studio pubblicato su Geoscienze della natura , i ricercatori del KTH hanno scoperto che il ferro al centro della Terra è effettivamente nella fase BCC. Anatoly Belonoshko, un ricercatore presso il Dipartimento di Fisica del KTH, afferma che quando i ricercatori hanno esaminato campioni computazionali di ferro più grandi di quelli studiati in precedenza, caratteristiche del ferro BCC che si pensava lo rendessero instabile finirono per fare esattamente l'opposto.

"In condizioni nel centro della Terra, Il ferro BCC mostra un modello di diffusione atomica mai osservato prima, "dice Belonoshko.

Belonoshko afferma che i dati mostrano anche che il ferro puro rappresenta probabilmente il 96 percento della composizione del nucleo interno, insieme a nichel e possibilmente elementi leggeri.

Le loro conclusioni sono tratte da laboriose simulazioni al computer eseguite utilizzando Triolith, uno dei più grandi supercomputer svedesi. Queste simulazioni hanno permesso loro di reinterpretare le osservazioni raccolte tre anni fa al Livermore Lawrence National Laboratory in California. "Sembra che i dati sperimentali che confermano la stabilità del ferro BCC nel nucleo fossero di fronte a noi - semplicemente non sapevamo cosa significasse veramente, " lui dice.

A bassa temperatura il BCC è instabile e i piani cristallini scivolano fuori dalla struttura ideale del BCC. Ma ad alte temperature, la stabilizzazione di queste strutture inizia in modo molto simile a un gioco di carte:mescolando un "mazzo". Belonoshko dice che nel calore estremo del nucleo, gli atomi non appartengono più ai piani a causa dell'elevata ampiezza del moto atomico.

"Lo scorrimento di questi aerei è un po' come mischiare un mazzo di carte, " spiega. "Anche se le carte sono messe in posizioni diverse, il mazzo è ancora un mazzo. Allo stesso modo, il ferro BCC conserva la sua struttura cubica."

Un tale rimescolamento porta a un enorme aumento della distribuzione di molecole ed energia - che porta ad un aumento dell'entropia, o la distribuzione degli stati energetici. Quella, a sua volta, rende stabile il BCC.

Normalmente, la diffusione distrugge le strutture cristalline trasformandole in liquido. In questo caso, la diffusione consente al ferro di preservare la struttura del BCC. "La fase BCC segue il motto:'Ciò che non mi uccide mi rende più forte', " dice Belonoshko. "L'instabilità uccide la fase BCC a bassa temperatura, ma rende la fase BCC stabile ad alta temperatura."

Dice che questa diffusione spiega anche perché il nucleo della Terra è anisotropo, cioè ha una trama direzionale, come le venature del legno. L'anisotropia spiega perché le onde sismiche viaggiano più velocemente tra i poli della Terra, che attraverso l'equatore.

"Le caratteristiche uniche della fase Fe BCC, come l'autodiffusione ad alta temperatura anche in un ferro solido puro, potrebbe essere responsabile della formazione di strutture anisotrope su larga scala necessarie per spiegare l'anisotropia del nucleo interno della Terra, " dice. "La diffusione consente una facile testurizzazione del ferro in risposta a qualsiasi stress".

La previsione apre la strada alla comprensione dell'interno della Terra e, infine, alla previsione del futuro della Terra, dice Belonoshko. "L'obiettivo finale delle Scienze della Terra è comprendere il passato, presente e futuro della Terra - e la nostra previsione ci consente di fare proprio questo".