Applicando i nuovi dati e i supercomputer di Princeton alla classica domanda su cosa c'è sotto i nostri piedi, La sismologa di Princeton Jessica Irving e un team internazionale di colleghi hanno sviluppato un nuovo modello per il nucleo esterno della Terra, una regione di ferro liquido nelle profondità della Terra.

Il nucleo esterno si agita costantemente, sostenere il campo magnetico del pianeta e fornire calore al mantello. "Comprendere il nucleo esterno è fondamentale per comprendere la storia del campo magnetico, " disse Irving, un assistente professore di geoscienze. Il lavoro della sua squadra appare oggi nel diario Progressi scientifici .

"Il modello che abbiamo prodotto, EPOC—Elastic Parameters of the Outer Core—sarà il modello di sfondo, l'unica cosa che sta alla base di tutto il resto, " ha affermato Irving. I ricercatori descrivono EPOC come un aggiornamento del nucleo esterno del modello preliminare di riferimento della Terra esistente (PREM), un modello di come le proprietà fondamentali della Terra variano con la profondità, che è stato sviluppato quasi 40 anni fa.

I dati chiave della ricerca provenivano da "modalità normali, " che sono onde stazionarie che possono essere misurate dopo i più grandi terremoti, tipicamente magnitudo 7.5 o superiore. A differenza delle onde del corpo e delle onde di superficie studiate dalla maggior parte dei sismologi, i modi normali sono "la vibrazione di tutta la Terra in una volta, che è una cosa incredibile a cui pensare, " Disse Irving. "Potremmo dire che la Terra suona come una campana, ' a frequenze caratteristiche."

Il nuovo modello, EPOC, è stato concepito per la prima volta in un seminario scientifico estivo di quattro settimane in cui Irving è stato ospitato con i colleghi sismologi Sanne Cottaar, all'Università di Cambridge, e Vedran Leki?, presso l'Università del Maryland-College Park.

"PREM è un venerabile, molto semplice, modello apprezzato, ma non può rappresentare strutture su piccola scala, " ha detto Irving. "Abbiamo pensato, 'Possiamo fare un modello semplice, con ancora meno parametri di PREM, va bene lo stesso?' Si è scoperto che potevamo realizzare un modello che fa il lavoro molto meglio".

Per uno, EPOC riduce la necessità di un "piccolo strato complicato" al confine tra il nucleo e il mantello, lei disse. I ricercatori negli ultimi decenni avevano trovato discrepanze tra la velocità delle onde corporee prevista da PREM e i dati che stavano trovando, soprattutto nella parte superiore del nucleo, e alcuni avevano sostenuto che lì doveva essere nascosto uno strato anormalmente lento. Hanno discusso su quanto dovrebbe essere spesso - le stime vanno da 50 a 300 miglia - e esattamente di cosa dovrebbe essere composto.

Il modello della sua squadra non offre più specifiche di PREM, Irving ha detto, "ma suggeriamo che, poiché EPOC si adatta meglio ai dati, forse non hai bisogno di questo piccolo strato." E inoltre, fornisce informazioni sulle proprietà del materiale del nucleo esterno.

Il nucleo esterno è di vitale importanza per la storia termica del pianeta e del suo campo magnetico, disse Irving, ma "non è tangibile. Non possiamo mostrarti una roccia dal nucleo esterno. Ma allo stesso tempo, è una parte così vasta del nostro pianeta. Il nucleo contiene circa il 30 percento della massa del pianeta. La crosta è insignificante al confronto. C'è così tanto che non capiamo sulla terra profonda, e queste non sono nemmeno le proprietà complicate. Stiamo solo cercando le proprietà di massa che variano molto lentamente".

Per creare il loro modello, Irving e altri sismologi hanno messo in comune le loro capacità. Cottaar aveva esperienza con le equazioni di stato:la fisica che spiega le connessioni tra temperatura, pressione, volume e altre caratteristiche fondamentali, e Leki? era fluente nelle tecniche bayesiane, un approccio probabilistico che ha aiutato il team a vagliare innumerevoli modelli possibili e a trovare quelli più probabili. E a causa del suo background con la sismologia in modalità normale, Irving sapeva come lavorare con il set di dati appena aggiornato.

"Quindi tutti e tre eravamo sismologi con diverse competenze specialistiche, e ci piaceva prendere il caffè a colazione insieme, " Ha detto Irving. "È così divertente fare scienza con gli amici".

I ricercatori hanno inserito le equazioni di stato nel cluster di supercomputer Tiger di Princeton per generare milioni di possibili modelli del nucleo esterno. "Ogni sei secondi abbiamo creato un nuovo modello, " Ha detto Irving. "Alcuni li abbiamo rifiutati perché sembravano sbagliati. Abbiamo test scientifici per 'sbagliato, ' per i modelli che dicono cose come, 'La massa della Terra dovrebbe essere il doppio di quella che pensiamo.'"

Il team ha quindi preso il meglio dei modelli e li ha usati per prevedere a quali frequenze l'intera Terra tremerebbe dopo un forte terremoto. I ricercatori hanno confrontato le frequenze misurate delle modalità normali con le previsioni dei loro modelli finché non hanno trovato il loro modello preferito.

Quando si insegnano le modalità normali, Irving usa la metafora di due campane, uno di ottone e uno di acciaio, entrambi dipinti di bianco. "Se colpisci quelle campane, ne ricaverai note diverse, e questo ti dirà che hai materiali diversi lì dentro, " ha detto. "Le frequenze esatte, il tono esatto a cui la Terra trema dopo questi terremoti molto grandi, dipendono dalle proprietà del materiale della Terra. Proprio come non possiamo vedere attraverso la vernice sulle campane, non possiamo vedere attraverso il pianeta, ma possiamo ascoltare il tono, le frequenze di queste osservazioni di tutta la Terra, e usali per trarre deduzioni su ciò che sta accadendo nelle profondità della Terra".