Scoperta una misteriosa sostanza nel cuore della Terra: non è né solida né liquida
È stata scoperta una fase superionica nel nucleo interno della Terra, una sostanza né completamente solida né liquida, confermata da esperimenti recenti condotti da scienziati cinesi. Questa fase spiega anomalie sismiche osservate da decenni, come la bassa velocità delle onde di taglio e la deformabilità del nucleo.
Stato Superionico
Nel nucleo interno, la struttura cristallina di ferro rimane stabile grazie alle immense pressioni (oltre 330 gigapascal), mentre atomi leggeri come il carbonio si muovono liberamente come in un liquido, rendendo la materia “morbida” come burro. Questa condizione è stata riprodotta in laboratorio con cannoni a gas leggero che hanno compresso leghe ferro-carbonio a 140 gigapascal e 2600 Kelvin.
Esperimento Chiave
Ricercatori dell’Università del Sichuan e dell’Accademia Cinese delle Scienze hanno sparato proiettili di lega ferro-carbonio a oltre 7 km/s contro un bersaglio, simulando le condizioni del nucleo per nanosecondi. Misurazioni laser hanno rilevato velocità di onde sonore e rapporto di Poisson coerenti con i dati sismici terrestri.
Implicazioni Scientifiche
Lo stato superionico potrebbe alimentare la geodinamo, contribuendo al campo magnetico terrestre oltre al calore e alla convezione. Aiuta a spiegare l’anisotropia sismica e ha implicazioni per l’evoluzione di altri pianeti rocciosi ed esopianeti. Futuri studi testeranno elementi leggeri come silicio, ossigeno e idrogeno in simili condizioni.
Le prove sperimentali per la fase superionica nel nucleo interno della Terra derivano principalmente da un esperimento di compressione dinamica da shock condotto da ricercatori dell’Università del Sichuan e dell’Accademia Cinese delle Scienze. Questo studio ha riprodotto condizioni estreme simili al nucleo, confermando proprietà sismiche uniche come la bassa velocità delle onde di taglio e un alto rapporto di Poisson.
Metodo Sperimentale
Campioni di lega ferro-carbonio sono stati accelerati a 7 km/s contro un bersaglio, raggiungendo pressioni di 140 GPa e temperature di circa 2600 K. Misurazioni in situ della velocità del suono con laser hanno mostrato un calo drastico della velocità delle onde di taglio, coerente con i dati sismici osservati.
Risultati Osservati
Gli atomi di carbonio diffondono liberamente attraverso la struttura cristallina solida di ferro, riducendo la rigidità della lega senza collassare il reticolo. Simulazioni di dinamica molecolare hanno supportato questi dati, confermando la fase superionica con mobilità atomica simile a un liquido in una matrice solida.
Confronto con Dati Sismici
I risultati sperimentali allineano perfettamente con anomalie geofisiche: basso Vs (~3-4 km/s), Poisson’s ratio ~0.45 e anisotropia sismica del nucleo interno. Questo risolve dibattiti decennali, passando da un modello rigido a uno dinamico.
L’esperimento di compressione da shock ha utilizzato una piattaforma dinamica per accelerare campioni di lega hcp Fe-1.5 wt% C a velocità superiori a 7 km/s contro un bersaglio, raggiungendo pressioni di 140 GPa e temperature relative al 83% di quella di fusione (circa 2600 K). Misurazioni laser in situ della velocità longitudinale e trasversale del suono hanno rilevato una riduzione del 23% della velocità di taglio (Vs) rispetto al ferro puro e un rapporto di Poisson di circa 0.43-0.45.
Setup e Materiali
Il team dell’Università del Sichuan ha impiegato cannoni a gas leggero per generare onde d’urto, con proiettili di lega ferro-carbonio (1.5% in peso di C) compressi in condizioni simili al nucleo interno terrestre. Simulazioni ab initio di dinamica molecolare (ab initio MD) hanno predetto una transizione superionica sopra T/Tm ≈ 0.68, con diffusione degli atomi di carbonio nella matrice cristallina di ferro.
Misurazioni Chiave
Velocità delle onde sonore: Vs ~3-4 km/s (ridotta), coerente con dati sismici; rapporto di Poisson ultra-alto (~0.45) indica morbidezza liquida-like nonostante la rigidità complessiva. Diffusione interstiziale del carbonio causa shear softening senza collasso del reticolo hcp di ferro.
Validazione
Risultati allineati con osservazioni sismiche di anisotropia e bassa Vs nel nucleo interno; esperimento supera limiti precedenti di compressione statica, fornendo la prima evidenza diretta sperimentale. Pubblicato su National Science Review (DOI: 10.1093/nsr/nwaf419).
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