Un approccio di fisica minerale teorica basato sui metodi ab initio è stato adottato per determinare la viscosità di esagonali, ferro compatto alle pressioni e temperature estreme corrispondenti al nucleo interno della Terra. I risultati si trovano a negare le osservazioni geofisiche di grandi fluttuazioni nella velocità di rotazione del nucleo interno. La viscosità ottenuta esclude anche la traslazione del nucleo interno e fornisce supporto che la dinamica del nucleo interno può essere governata dalla convezione allo stato solido.

Il nucleo interno della Terra, nascosto 5150 km sotto i nostri piedi, è composto principalmente da ferro solido ed è esposto a pressioni comprese tra 329 e 364 GPa (che sono da ~3,3 a 3,6 milioni di volte quella della pressione atmosferica) e temperature da ~5000 a ~6000 K (Immagine 1). Le osservazioni sismologiche hanno precedentemente rivelato che la velocità delle onde sismiche prodotte dai terremoti dipende fortemente dalla loro direzione quando viaggiano attraverso il nucleo interno, un fenomeno noto come "anisotropia sismica". Ciò è dovuto all'allineamento dei cristalli di ferro, qualcosa che può essere causato dalla deformazione all'interno del nucleo interno. Sono state riportate anche variazioni più specifiche nell'anisotropia sismica tra l'emisfero orientale e occidentale del nucleo interno. Altri studi sismici suggeriscono inoltre "distinte fluttuazioni nella velocità di rotazione del nucleo interno" rispetto a quella della crosta terrestre e del mantello. Sebbene i precedenti modelli geodinamici prevedano che l'asimmetria emisferica della struttura dell'anisotropia sismica possa essere spiegata da "un movimento di traslazione del nucleo interno" e che le variazioni nella lunghezza di un giorno possano essere spiegate dall'accoppiamento gravitazionale tra il mantello e un debole nucleo, le cause ei meccanismi di queste caratteristiche enigmatiche rimangono poco chiari perché i loro modelli si basano sulla "forza viscosa" scarsamente vincolata del ferro nelle condizioni estreme del centro della Terra.

La viscosità dei materiali dipende dal modo in cui i cristalli di ferro subiscono una deformazione plastica in risposta a uno stress meccanico, e meccanismi di deformazione chiamati "creep" sono generalmente previsti in condizioni di alta temperatura e piccole sollecitazioni (Immagine 2). Lo scorrimento dei cristalli solidi è generalmente compensato dal movimento di disposizioni imperfette di atomi nelle strutture cristalline chiamate "difetti reticolari" ed è particolarmente limitato dalla "diffusione atomica" nelle condizioni del nucleo interno. Tali condizioni impongono difficoltà tecniche agli esperimenti di laboratorio rendendo attualmente impossibili le misurazioni della viscosità del nucleo interno. Anziché, Dott. Sebastian Ritterbex, un ricercatore post-dottorato, e il Prof. Taku Tsuchiya del Centro di ricerca sulla geodinamica, Università di Ehime, simulazioni al computer su scala atomica applicate basate sulla teoria della meccanica quantistica, chiamati "metodi ab initio, " quantificare la diffusione atomica nel ferro esagonale compatto (hcp), la fase più probabile del ferro stabile nel nucleo interno (Immagine 1).

Questo approccio teorico di fisica minerale può calcolare le proprietà elettroniche e i legami chimici in modo molto accurato e quindi è abbastanza potente nello studio delle proprietà dei materiali in condizioni estreme che sono difficili da gestire con gli esperimenti. In questo studio, la tecnica è stata applicata per calcolare l'autodiffusione del ferro attraverso l'energia della formazione e migrazione dei difetti puntuali. I risultati vengono applicati a modelli macroscopici di plasticità intracristallina per calcolare numericamente il comportamento di creep limitante della velocità del ferro hcp. La modellizzazione fornisce evidenza che la viscosità del ferro hcp è inferiore a quanto ipotizzato nei precedenti modelli geofisici e determinata dal trasporto del taglio attraverso il reticolo cristallino, un meccanismo di deformazione plastica noto come "dislocation creep" (Immagine 2), che può portare alla formazione di orientamenti cristallografici preferiti. Ciò suggerisce che il flusso plastico del ferro hcp potrebbe effettivamente contribuire all'allineamento dei cristalli e quindi all'anisotropia sismica nel nucleo interno.

I risultati gettano nuova luce sulle proprietà enigmatiche del nucleo interno. I ricercatori dimostrano che la bassa viscosità del ferro hcp derivata dall'approccio teorico della fisica minerale è coerente con un forte accoppiamento tra il nucleo interno e il mantello compatibile con le osservazioni geofisiche di piccole fluttuazioni nella velocità di rotazione del nucleo interno. I risultati prevedono inoltre che il nucleo interno è troppo debole per subire un movimento traslatorio, il che significa che è probabile che la struttura asimmetrica emisferica ne abbia un'altra, ancora sconosciuto, origine. Anziché, sollecitazioni meccaniche di decine di Pa sono sufficienti per deformare il ferro hcp mediante scorrimento per dislocazione a velocità di deformazione estremamente basse, paragonabile alle forze candidate in grado di guidare la convezione del nucleo interno. La viscosità associata non è una costante ma dipende invece dallo stress meccanico applicato al nucleo interno, un comportamento noto come "reologia non newtoniana". Questo comportamento di deformazione non lineare dovrebbe quindi governare la dinamica del nucleo interno della Terra.

Nel futuro, modelli più quantitativi che utilizzano le proprietà viscose del ferro hcp ottenute in questo studio potrebbero migliorare la comprensione del nucleo interno della Terra.

Lo studio è pubblicato su Rapporti scientifici .