Uno spaccato dell'interno della Terra mostra il nucleo interno di ferro solido (rosso) che cresce lentamente per congelamento del nucleo esterno di ferro liquido (arancione). Le onde sismiche viaggiano attraverso il nucleo interno della Terra più velocemente tra i poli nord e sud (frecce blu) che attraverso l'equatore (freccia verde). I ricercatori hanno concluso che questa differenza nella velocità dell'onda sismica con la direzione (anisotropia) deriva da un allineamento preferito dei cristalli in crescita:leghe ferro-nichel esagonali ravvicinate, che sono essi stessi anisotropi, paralleli all'asse di rotazione terrestre. Credito:Daniel Frost
Per ragioni sconosciute, Il nucleo interno di ferro solido della Terra sta crescendo più velocemente da un lato che dall'altro, ed è così da quando ha iniziato a congelare dal ferro fuso più di mezzo miliardo di anni fa, secondo un nuovo studio dei sismologi dell'Università della California, Berkeley.
La crescita più rapida sotto il Mare di Banda in Indonesia non ha lasciato il nucleo sbilenco. La gravità distribuisce uniformemente la nuova crescita, i cristalli di ferro che si formano quando il ferro fuso si raffredda, per mantenere un nucleo interno sferico che cresce di raggio in media di 1 millimetro all'anno.
Ma la maggiore crescita su un lato suggerisce che qualcosa nel nucleo esterno della Terra o nel mantello sotto l'Indonesia sta rimuovendo il calore dal nucleo interno a un ritmo più veloce rispetto al lato opposto, sotto il Brasile. Un raffreddamento più rapido su un lato accelererebbe la cristallizzazione del ferro e la crescita del nucleo interno su quel lato.
Questo ha implicazioni per il campo magnetico terrestre e la sua storia, perché la convezione nel nucleo esterno guidata dal rilascio di calore dal nucleo interno è ciò che oggi aziona la dinamo che genera il campo magnetico che ci protegge dalle particelle pericolose del sole.
"Forniamo limiti piuttosto labili sull'età del nucleo interno - tra mezzo miliardo e 1,5 miliardi di anni - che possono essere di aiuto nel dibattito su come il campo magnetico è stato generato prima dell'esistenza del nucleo interno solido, " ha detto Barbara Romanowicz, UC Berkeley Professore della Graduate School nel Dipartimento di Scienze della Terra e dei Pianeti e direttore emerito del Berkeley Sismological Laboratory (BSL). "Sappiamo che il campo magnetico esisteva già 3 miliardi di anni fa, quindi altri processi devono aver guidato la convezione nel nucleo esterno in quel momento."
L'età giovanile del nucleo interno può significare che, all'inizio della storia della Terra, il calore bollente del nucleo fluido proveniva da elementi leggeri che si separavano dal ferro, non dalla cristallizzazione del ferro, che vediamo oggi.
"Il dibattito sull'età del nucleo interno è in corso da molto tempo, " ha detto Daniel Frost, assistente scienziato di progetto presso la BSL. "La complicazione è:se il nucleo interno è stato in grado di esistere solo per 1,5 miliardi di anni, in base a ciò che sappiamo su come perde calore e quanto fa caldo, allora da dove veniva il vecchio campo magnetico? Da qui è nata questa idea di elementi di luce dissolti che poi si congelano".
Ferro congelante
La crescita asimmetrica del nucleo interno spiega un mistero vecchio di tre decenni:il ferro cristallizzato nel nucleo sembra essere preferenzialmente allineato lungo l'asse di rotazione della terra, più in occidente che in oriente, mentre ci si aspetterebbe che i cristalli siano orientati casualmente.
La prova di questo allineamento viene dalle misurazioni del tempo di viaggio delle onde sismiche dai terremoti attraverso il nucleo interno. Le onde sismiche viaggiano più velocemente nella direzione dell'asse di rotazione nord-sud che lungo l'equatore, un'asimmetria che i geologi attribuiscono ai cristalli di ferro, che sono asimmetrici, con i loro assi lunghi preferibilmente allineati lungo l'asse terrestre.
Se il nucleo è di ferro solido cristallino, come si orientano preferenzialmente in una direzione i cristalli di ferro?
Un nuovo modello dei sismologi della UC Berkeley propone che il nucleo interno della Terra cresca più velocemente sul suo lato est (a sinistra) che sul suo ovest. La gravità equalizza la crescita asimmetrica spingendo i cristalli di ferro verso i poli nord e sud (frecce). Questo tende ad allineare l'asse lungo dei cristalli di ferro lungo l'asse di rotazione del pianeta (linea tratteggiata), spiegando i diversi tempi di viaggio delle onde sismiche attraverso il nucleo interno. Credito:Marine Lasbleis
Nel tentativo di spiegare le osservazioni, Frost e i colleghi Marine Lasbleis dell'Université de Nantes in Francia e Brian Chandler e Romanowicz dell'UC Berkeley hanno creato un modello computerizzato della crescita dei cristalli nel nucleo interno che incorpora modelli di crescita geodinamica e la fisica minerale del ferro ad alta pressione e alta temperatura.
"Il modello più semplice sembrava un po' insolito:il nucleo interno è asimmetrico, " disse Frost. "Il lato ovest sembra diverso dal lato est fino al centro, non solo nella parte superiore del nucleo interno, come qualcuno ha suggerito. L'unico modo per spiegarlo è che da una parte cresce più velocemente dell'altra".
Il modello descrive come la crescita asimmetrica, circa il 60% superiore a est rispetto a ovest, può orientare preferenzialmente i cristalli di ferro lungo l'asse di rotazione, con più allineamento a ovest che a est, e spiegare la differenza nella velocità delle onde sismiche attraverso il nucleo interno.
"Ciò che proponiamo in questo articolo è un modello di convezione solida sbilenca nel nucleo interno che riconcilia le osservazioni sismiche e le plausibili condizioni geodinamiche al contorno, ", ha detto Romanowicz.
Gelo, Romanowicz e i loro colleghi riporteranno le loro scoperte nel numero di questa settimana della rivista Geoscienze naturali .
Sondare l'interno della Terra con le onde sismiche
L'interno della Terra è stratificato come una cipolla. Il nucleo interno solido di ferro-nichel - oggi 1, 200 chilometri (745 miglia) di raggio, o circa tre quarti delle dimensioni della luna, è circondato da un nucleo esterno fluido di ferro fuso e nichel circa 2, 400 chilometri (1, 500 miglia) di spessore. Il nucleo esterno è circondato da un mantello di roccia calda 2, 900 chilometri (1, 800 miglia) di spessore e ricoperto da un sottile, fresco, crosta rocciosa in superficie.
La convezione avviene sia nel nucleo esterno, che bolle lentamente mentre il calore del ferro cristallizzante esce dal nucleo interno, e nel mantello, mentre la roccia più calda si sposta verso l'alto per trasportare questo calore dal centro del pianeta alla superficie. Il vigoroso movimento di ebollizione nel nucleo esterno di ferro liquido produce il campo magnetico terrestre.
Secondo il modello informatico di Frost, che ha creato con l'aiuto di Lasbleis, mentre i cristalli di ferro crescono, la gravità ridistribuisce la crescita in eccesso a est verso ovest all'interno del nucleo interno. Quel movimento dei cristalli all'interno del solido piuttosto morbido del nucleo interno, che è vicino al punto di fusione del ferro a queste alte pressioni, allinea il reticolo cristallino lungo l'asse di rotazione della Terra in misura maggiore a ovest che a est.
Il modello prevede correttamente le nuove osservazioni dei ricercatori sui tempi di viaggio delle onde sismiche attraverso il nucleo interno:l'anisotropia, o differenza dei tempi di percorrenza paralleli e perpendicolari all'asse di rotazione, aumenta con la profondità, e l'anisotropia più forte è spostata verso ovest dall'asse di rotazione terrestre di circa 400 chilometri (250 miglia).
Il modello di crescita del nucleo interno fornisce anche limiti alla proporzione di nichel rispetto al ferro al centro della terra, ha detto il gelo. Il suo modello non riproduce accuratamente le osservazioni sismiche a meno che il nichel non costituisca tra il 4% e l'8% del nucleo interno, che è vicino alla proporzione nei meteoriti metallici che una volta presumibilmente erano i nuclei dei pianeti nani nel nostro sistema solare. Il modello dice anche ai geologi quanto viscoso, o fluido, il nucleo interno è.
"Suggeriamo che la viscosità del nucleo interno sia relativamente grande, un parametro di input importante per i geodinamici che studiano i processi della dinamo nel nucleo esterno, ", ha detto Romanowicz.
