Nel nucleo della Terra un cristallo esagonale sarebbe la nuova scoperta degli scienziati

Al centro della Terra si trova un cristallo, alla profondità di 3000 miglia. Può sembrare un gioco di fantasia o un nuovo film di Indiana Jones, ma è quello che degli scienziati hanno scoperto nel 1995 con un modello sofisticato del nucleo della Terra. Questa scoperta, che offre soluzioni plausibili ad alcuni misteri geofisici, sta trasformando il pensiero degli scienziati sulla parte più remota del nostro pianeta. 

 La rivoluzione più sconvolgente sta nel mantello, quello strato spesso circa 2900 km, stretto fra la sottile crosta rigida (50 km appena) e il grande nucleo terrestre (3400 km di diametro). Le miscele di silicati, a temperature fra i 2 mila e i 3 mila gradi, che costituiscono il mantello, spiegano gli esperti, non sono distribuite in maniera omogenea. Nelle zone più profonde del mantello, infatti, sono stati scoperti due enormi grumi di materiali ad elevata densità la cui origine è ancora poco chiara. <Sono come due cumuli spessi alcune centinaia di km e posizionati l’uno in corrispondenza dell’Oceano Pacifico centrale, e l’altro fra l’Atlantico e l’Africa», spiegano Ed Garnero e Allen McNamara, i due sismologi della Arizona State University’s School of Earth and Space Exploration, che a questo studio hanno dedicato un articolo sull’ultimo numero di Science (2 maggio 2008). «I due ricercatori americani dell’Arizona hanno chiamato queste strutture cumuli termochimici e ipotizzano che si siano formati a causa della compattazione degli atomi di silicio, magnesio e ferro sotto le enormi pressioni esistenti al fondo del mantello –spiega Andrea Morelli, dirigente di ricerca dell’Istituto nazionale di geofisica e vulcanologia, anche lui impegnato in ricerche sull’interno della Terra–. Esperimenti condotti in laboratorio, con apparati in grado di riprodurre pressioni molto elevate, hanno permesso di ricreare il minerale costitutivo di questi ‘cumuli termochimici’ che è stato battezzato post-perovskite».

"Capire cosa si trovi nelle profondità della Terra è una sfida", dice il geofisico Lars Stixrude. "Le perforazioni arrivano al massimo a 12 kilometri, circa lo 0.2% del raggio della Terra. La gran parte del pianeta è totalmente inaccessibile all'osservazione diretta." Quello che gli scienziati hanno messo assieme viene principalmente dai dati sismici. Quando le onde sismiche dei terremoti si diffondono nel pianeta, vengono rilevate da strumenti sensibili in molte zone in superficie. La registrazione di queste vibrazioni rivela le variazioni del loro percorso e della loro velocità, così gli scienziati possono ipotizzare la struttura interna del pianeta. Questo lavoro ha aggiunto mola conoscenza nei passati 10 anni, inclusa una particolare osservazione: le onde sismiche viaggiano più rapidamente da nord a sud che da est a ovest, di circa quattro secondi più rapidamente da polo a polo che attraverso l'equatore. Questa scoperta, confermata solo nei passati due anni, ha portato rapidamente alla conclusione che il cuore interno della Terra di ferro sia "anisotropo", possiede una qualità direzionale, una struttura che permette alle onde sonore di viaggiare più rapidamente in una certa direzione. Qual'è la natura esatta di questa struttura del nucleo interno? A questa domanda i dati sismici rispondono col silenzio in stile sfinge. "Il problema", dice Ronald Cohen del Carnegie Institution a Washington, "è che siamo ostacolati. Sappiamo che c'è un tipo di struttura, i dati lo dicono, ma non sappiamo quale. Se conoscessimo le velocità del suono nel ferro alla pressione e temperatura del nucleo interno, potremmo arrivare da qualche parte." Per rimediare a questa mancanza di informazione, Stixrude e Cohen si sono rivolti al CRAY C90 del Pittsburgh Supercomputing Center.

ONDE SISMICHE - Poiché l’interno della Terra è inaccessibile, allo scopo di studiarne la struttura vengono sfruttare le onde sismiche che lo attraversano, in modo da ottenere una sorta di radiografia o, meglio ancora, una vera e propria tomografia, capace di fornire immagini tridimensionali di strutture nascoste. Così, con una risoluzione mai raggiunta prima d’ora, sono stati individuati non solo i ‘cumuli termochimici’, ma anche le varie disomogeneità che caratterizzano il mantello: bolle, tubi e vesciche. La geografia dell’interno della Terra, oltre a fornirci la corretta immagine del nostro pianeta, è utile per capire da quali meccanismi sono governati i moti convettivi che modificano continuamente la crosta terrestre, causando il movimento delle placche, la formazione delle montagne, i terremoti e l’attività vulcanica.

Arrivare al Nucleo

Non pensate a Jules Verne. Il nucleo della Terra non è un bel posto da visitare, a meno che non vi piacciano le fornaci. Il nucleo esterno della Terra, circa a due terzi dal centro, è ferro fuso. Ancora più a fondo, nel nucleo interno, la pressione è così grande, 3.5 milioni di volte la pressione in superficie, che il ferro solidifica, anche se la temperatura dovrebbe superare gli 11000 gradi Fahrenheit, superiore a quella della superficie del sole. Nonostante rapidi avanzamenti nelle tecniche di laboratorio sull'alta pressione, non è ancora possibile duplicare queste condizioni sperimentalmente e fino al lavoro di Stixrude e Cohen, gli scienziati hanno potuto al massimo fare domande sull'architettura atomo-atomo del ferro, la sua struttura cristallina, agli estremi del nucleo interno. Usando un approccio quantistico detto teoria densità-funzionale, Stixrude e Cohen hanno fatto più di una domanda educata. Con recenti miglioramenti nelle tecniche numeriche, la teoria densità-funzionale ha predetto le proprietà del ferro a bassa pressione con grande accuratezza, portando i ricercatori a credere che con i supercomputers potrebbero raggiungere le 3000 miglia e apprendere i segreti del nucleo.

Ripensare alla Terra Interna

In superficie abbiamo tre tipi di ferro, le forme cristalline classiche conosciute come body-centered cubic (bcc), face-centered cubic (fcc) ed hexagonal close-packed (hpc). Lavorando con queste tre strutture, Stixrude e Cohen hanno fatto uno studio approfondito, più di 200 lavori di calcolo in due anni, per determinare le proprietà quanto-meccaniche del ferro in una gamma di alte pressioni. "Senza l'accesso al C90", dice Stixrude, "questo lavoro sarebbe durato così tanto da non poter andare a termine". L'opinione prevalente prima di questi calcoli sosteneva che la struttura cristallina del ferro nel nucleo interno fosse bcc. Al contrario, i calcoli hanno mostrato che il ferro bcc è instabile ad alta pressione e molto probabilmente non esiste nel nucleo interno. Per gli altri due candidati, fcc e hcp, Stixrude e Cohen hanno scoperto che entrambi possono esistere ad alta pressione e trasmetterebbero il suono in modo direzionale. Il ferro hcp tuttavia combacia meglio con i dati sismici. Tutta nuova informazione, ma questo ha ulteriormente sorpreso: per rispondere all'anisotropia osservata, la struttura del nucleo interno dovrebbe essere molto più pronunciata di quanto si pensasse prima.

"I cristalli esagonali hanno una direzionalità unica", dice Stixrude, "che dev'essere allineata e orientata con l'asse di rotazione della Terra per ogni cristallo nel nucleo interno". Questo ha portato Stixrude e Cohen a provare un esperimento computazionale. Se tutti i cristalli devono puntare nella stessa direzione, perchè non un grande cristallo? I risultati, pubblicati su Science, offrono la spiegazione più semplice e convincente mai avanzata per i dati sismici e ha rivoluzionato il pensiero sul nucleo interno. Una sfera di ferro di 1500 miglia potrebbe essere un singolo cristallo? Non era mai stata discussa fino a questo lavoro, l'idea fa pensare che gli estremi di temperatura e pressione del nucleo interno offrano condizioni ideali per la crescita del cristallo. Molti laboratori per l'alta pressione hanno pianificato dei test di questi risultati. Anche un nucleo interno fortemente orientato potrebbe spiegare le anomalie del campo magnetico della Terra, come linee di campo inclinate vicine all'equatore. "Eseguire questi calcoli quantistici esoterici", dice Stixrude, "le cui soluzioni si ottengono solo da un supercomputer, che puoi confrontare direttamente con le osservazioni della natura, è stato molto emozionante".

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