La maggior parte degli scolari impara che la Terra ha tre (o quattro) strati:una crosta, mantello e nucleo, che a volte è suddiviso in un nucleo interno ed esterno. Non è sbagliato, ma lascia fuori molti altri strati che gli scienziati hanno identificato all'interno della Terra.

In uno studio pubblicato questa settimana in Scienza , I geofisici di Princeton Jessica Irving e Wenbo Wu, in collaborazione con Sidao Ni dell'Istituto di Geodesia e Geofisica in Cina, ha utilizzato i dati di un enorme terremoto in Bolivia per trovare montagne e altra topografia su uno strato situato a 660 chilometri (410 miglia) verso il basso, che separa il mantello superiore da quello inferiore. (Mancando un nome formale per questo livello, i ricercatori lo chiamano semplicemente "il confine di 660 km".)

Per scrutare in profondità nella Terra, gli scienziati usano le onde più potenti del pianeta, che sono generati da massicci terremoti. "Vuoi un grande, terremoto profondo per far tremare l'intero pianeta, " disse Irving, un assistente professore di geoscienze.

I grandi terremoti sono molto più potenti di quelli piccoli:l'energia aumenta di 30 volte a ogni gradino della scala Richter, e i terremoti profondi, "invece di sprecare la loro energia nella crosta, può far andare tutto il mantello, " Ha detto Irving. Ottiene i suoi migliori dati da terremoti di magnitudo 7.0 o superiore, lei disse, poiché le onde d'urto che inviano in tutte le direzioni possono viaggiare attraverso il nucleo fino all'altro lato del pianeta e viceversa. Per questo studio, i dati chiave provengono dalle onde raccolte dopo un terremoto di magnitudo 8.2, il secondo terremoto profondo mai registrato, che ha scosso la Bolivia nel 1994.

"Terremoti così grandi non capitano molto spesso, " ha detto. "Siamo fortunati ora che abbiamo così tanti sismometri in più rispetto a 20 anni fa. La sismologia è un campo diverso rispetto a 20 anni fa, tra strumenti e risorse computazionali”.

Sismologi e scienziati dei dati utilizzano computer potenti, compreso il cluster di supercomputer Tiger di Princeton, per simulare il complicato comportamento delle onde di dispersione nelle profondità della Terra.

La tecnologia dipende da una proprietà fondamentale delle onde:la loro capacità di piegarsi e rimbalzare. Proprio come le onde luminose possono rimbalzare (riflettere) su uno specchio o piegarsi (rifrangersi) quando passano attraverso un prisma, le onde sismiche viaggiano dritte attraverso rocce omogenee ma riflettono o rifrangono quando incontrano un confine o una ruvidità.

"Sappiamo che quasi tutti gli oggetti hanno rugosità superficiale e quindi disperdono la luce, " disse Wu, l'autore principale del nuovo articolo, che ha appena completato il suo dottorato di ricerca in geoscienze. ed è ora ricercatore post-dottorato presso il California Institute of Technology. "Ecco perché possiamo vedere questi oggetti:le onde di dispersione trasportano le informazioni sulla rugosità della superficie. In questo studio, abbiamo studiato le onde sismiche sparse che viaggiano all'interno della Terra per limitare la ruvidità del confine di 660 km della Terra".

I ricercatori sono rimasti sorpresi da quanto sia ruvido quel confine, più ruvido dello strato superficiale su cui viviamo tutti. "In altre parole, la topografia più forte delle Montagne Rocciose o degli Appalachi è presente al confine di 660 km, " ha detto Wu. Il loro modello statistico non permetteva determinazioni precise dell'altezza, ma c'è una possibilità che queste montagne siano più grandi di qualsiasi cosa sulla superficie della Terra. La ruvidità non era equamente distribuita, o; proprio come la superficie della crosta ha fondali oceanici lisci e montagne massicce, il confine di 660 km presenta aree ruvide e zone lisce. I ricercatori hanno anche esaminato uno strato a 410 chilometri (255 miglia) di profondità, nella parte superiore della "zona di transizione" del mantello centrale, " e non trovarono rugosità simile.

"Hanno scoperto che gli strati profondi della Terra sono complicati quanto ciò che osserviamo in superficie, " ha detto la sismologa Christine Houser, un assistente professore al Tokyo Institute of Technology che non è stato coinvolto in questa ricerca. "Trovare cambiamenti di altitudine di 2 miglia (1-3 km) su un confine che è profondo oltre 400 miglia (660 km) usando onde che viaggiano attraverso l'intera Terra e ritorno è un'impresa stimolante. ... Le loro scoperte suggeriscono che come si verificano terremoti e gli strumenti sismici diventano più sofisticati e si espandono in nuove aree, continueremo a rilevare nuovi segnali su piccola scala che rivelano nuove proprietà degli strati della Terra".

Cosa significa

La presenza di asperità sul confine di 660 km ha implicazioni significative per comprendere come il nostro pianeta si è formato e continua a funzionare. Quello strato divide il mantello, che costituisce circa l'84 per cento del volume della Terra, nelle sue sezioni superiore e inferiore. Per anni, i geologi hanno discusso su quanto sia importante quel confine. In particolare, hanno studiato come il calore viaggia attraverso il mantello, se le rocce calde vengono trasportate uniformemente dal confine nucleo-mantello (quasi 2, 000 miglia in basso) fino alla sommità del mantello, o se tale trasferimento viene interrotto a questo livello. Alcune prove geochimiche e mineralogiche suggeriscono che il mantello superiore e inferiore siano chimicamente diversi, il che supporta l'idea che le due sezioni non si mescolino termicamente o fisicamente. Altre osservazioni suggeriscono nessuna differenza chimica tra il mantello superiore e inferiore, portando alcuni a discutere per quello che viene chiamato un "mantello ben misto, " con il mantello superiore e inferiore che partecipano allo stesso ciclo di scambio termico.

"I nostri risultati forniscono informazioni su questa domanda, " ha detto Wu. I loro dati suggeriscono che entrambi i gruppi potrebbero avere parzialmente ragione. Le aree più lisce del confine di 660 km potrebbero derivare da una miscelazione verticale più completa, mentre il più ruvido, possono essersi formate aree montuose dove il mantello superiore e inferiore non si mescolano altrettanto bene.

Inoltre, la ruvidità trovata dai ricercatori, che esisteva in generale, scale moderate e piccole, potrebbe teoricamente essere causato da anomalie termiche o eterogeneità chimiche. Ma a causa di come il calore viene trasportato all'interno del mantello, Wu ha spiegato, qualsiasi anomalia termica su piccola scala verrebbe appianata entro un milione di anni. Ciò lascia solo differenze chimiche per spiegare la ruvidità su piccola scala che hanno trovato.

Cosa potrebbe causare differenze chimiche significative? L'introduzione di rocce che appartenevano alla crosta, ora riposa tranquillamente nel mantello. Gli scienziati hanno a lungo dibattuto sul destino delle lastre di fondale marino che vengono spinte nel mantello nelle zone di subduzione, le collisioni che si verificano si sono verificate in tutto l'Oceano Pacifico e in altre parti del mondo. Wu e Irving suggeriscono che i resti di queste lastre potrebbero ora essere appena sopra o appena sotto il confine di 660 km.

"È facile supporre, dato che possiamo rilevare solo le onde sismiche che viaggiano attraverso la Terra nel suo stato attuale, che i sismologi non possono aiutare a capire come è cambiato l'interno della Terra negli ultimi 4,5 miliardi di anni, " ha detto Irving. "La cosa eccitante di questi risultati è che ci danno nuove informazioni per capire il destino delle antiche placche tettoniche che sono scese nel mantello, e dove l'antico materiale del mantello potrebbe ancora risiedere."

Ha aggiunto:"La sismologia è più eccitante quando ci consente di comprendere meglio l'interno del nostro pianeta sia nello spazio che nel tempo".