Il nostro pianeta ha una struttura a strati di mantello silicato e nucleo metallico. Il nucleo esterno liquido si trova a 2900 km sotto la superficie dove la pressione e la temperatura sono estremamente elevate,>136 gigapascal (1,36 milioni di atmosfere) e>4000 C. I profili di velocità e densità del suono dell'interno profondo del nostro pianeta sono dati dalle osservazioni sismologiche. Credito:assistente professore Yoichi Nakajima
Utilizzando il grande impianto di radiazione di sincrotrone SPring-8 in Giappone, una collaborazione di ricercatori della Kumamoto University, l'Università di Tokyo, e altri dal Giappone e dalla Francia hanno misurato con precisione la densità del ferro liquido in condizioni simili a quelle del nucleo esterno della Terra:1, 000, 000 atm e 4, 000 gradi C. La misurazione accurata della densità del ferro liquido in condizioni così estreme è molto importante per comprendere la composizione chimica del nucleo del nostro pianeta.
La Terra ha un nucleo interno di metallo solido e un nucleo esterno di metallo liquido situato a circa 2, 900 chilometri (1, 800 miglia) sotto la superficie, entrambi sono sottoposti a pressioni e temperature molto elevate. Poiché il componente principale del nucleo esterno è il ferro, e la sua densità è notevolmente inferiore a quella del ferro puro, si pensava contenesse una grande quantità di elementi leggeri come l'idrogeno e l'ossigeno. Identificare il tipo e la quantità di questi elementi leggeri consentirà una migliore comprensione dell'origine della Terra, in particolare i materiali che componevano la Terra e l'ambiente al centro quando si separava dal mantello. Però, ciò richiede innanzitutto una misurazione accurata della densità del ferro liquido puro a pressioni e temperature estreme simili al nucleo fuso in modo che le densità possano essere confrontate.
All'aumentare della pressione, sale anche il punto di fusione del ferro, il che rende difficile studiare la densità del ferro liquido ad altissima pressione. Precedenti misurazioni della densità del ferro liquido ad alta pressione affermavano che era circa il 10% superiore alla densità del ferro liquido in condizioni centrali, ma si presumeva che gli esperimenti di compressione d'urto usati avessero un grande errore.
Un campione di metallo viene posto all'interno di una guarnizione di renio con isolanti termici, schiacciato tra due diamanti per generare alta pressione, e riscaldato con un laser nel vicino infrarosso. Le misurazioni della densità in tali condizioni di alta pressione e alta temperatura vengono effettuate irradiando il campione con fasci di raggi X. Credito:assistente professore Yoichi Nakajima
L'attuale lavoro migliora queste misurazioni utilizzando i raggi X ad alta intensità presso l'impianto SPring-8 per misurare la diffrazione dei raggi X del ferro liquido a pressioni ultra elevate e temperature elevate, e applica un nuovo metodo analitico per calcolare la densità del liquido. Inoltre, il profilo di velocità del suono del liquido è stato misurato in condizioni estreme fino a 450, 000 atm. I dati sono stati raccolti a varie temperature e pressioni, quindi combinati con i precedenti dati sulle onde d'urto per calcolare la densità per le condizioni sull'intero nucleo terrestre.
Attualmente, il modo migliore per stimare la densità del nucleo esterno della Terra è dalle osservazioni sismiche. Confrontando la densità del nucleo esterno con le misurazioni sperimentali in questo studio, il ferro puro è circa l'8% più denso di quello del nucleo esterno della Terra. Ossigeno, che in passato è stata considerata una delle principali impurità, non può spiegare la differenza di densità, suggerendo la presenza di altri elementi luminosi. Questa rivelazione è un grande passo avanti verso la stima della composizione chimica del nucleo, un problema di prim'ordine nelle Scienze della Terra.
"In tutto il mondo, molti tentativi di misurare la densità, velocità del suono, e struttura di liquidi ad altissima pressione utilizzando celle diamantate riscaldate al laser sono state realizzate da oltre 30 anni, ma nessuno ha avuto successo finora, " ha detto il dottor Yoichi Nakajima, uno dei principali membri della collaborazione di ricerca. "Ci aspettiamo che le innovazioni tecnologiche raggiunte in questo studio accelereranno notevolmente la ricerca sui liquidi ad alta pressione. Alla fine, crediamo che questo approfondirà la nostra comprensione del nucleo metallico liquido e del magma nelle profondità della Terra e di altri pianeti rocciosi".
