Le onde di taglio confermano: il nucleo terrestre è solido

Il professore associato Hrvoje Tkalcic e il dottorando Than-Son Pham, dell’Australian National University (ANU), in un nuovo studio, pubblicato sulla rivista Science, sostengono di aver scoperto la prova certa che il nucleo interno della Terra è solido.

I due ricercatori hanno trovato un modo per rilevare il passaggio delle onde di taglio, o onde J, nel nucleo interno. Dal momento che le onde J hanno la proprietà di attraversare soltanto oggetti solidi, il rilevamento di queste onde confermerebbe che il nucleo terrestre interno è davvero solido, secondo Tkalcic, che aggiunge: “Abbiamo anche scoperto che è tuttavia più morbido di quanto ritenuto finora”.

Ma perchè, pur essendo più caldo della superficie del Sole, il nucleo di ferro cristallizzato della Terra rimane solido?

La sfera di ferro cristallizzato e quasi puro ha le dimensioni della Luna; e comprenderne le caratteristiche, impossibili tramite un’ osservazione diretta, è qualcosa che gli scienziati cercano di fare da tempo, servendosi delle onde sismiche, quelle prodotte da un terremoto.

Come in tutti i metalli, su scala atomica le strutture cristalline del ferro cambiano in funzione della temperatura e della pressione. Gli atomi vengono impacchettati in formazioni che possono essere cubiche o esagonali.

A pressione e temperatura ambiente, il ferro assume quella che è conosciuta come fase cubica, un’architettura del cristallo in cui 8 atomi si dispongono sugli spigoli e uno in posizione centrale.

A pressione estremamente elevata le strutture cristalline si trasformano in forme esagonali, di 12 atomi.

Al centro della Terra, dove la pressione è 3,5 milioni di volte più alta della pressione di superficie e le temperature raggiungono i 6000 gradi, gli scienziati, viste le premesse, hanno a lungo ritenuto che l’architettura atomica del ferro fosse esagonale.

Non tutti, però, sono stati d’accordo.

I fautori del ferro del nucleo in fase cubica non si sono arresi e le discussioni sono andate avanti per oltre trent’anni, finchè nel 2014 uno studio ha segnato un primo punto fermo, sostenendo che il ferro, in fase cubica, sarebbe stato instabile.

Ma questa teoria non è stata quella definitiva.

Uno studio dello scorso anno del KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma, pubblicato su Nature Geosciences, ha cambiato ancora una volta parere, affermando che, secondo la loro sperimentazione, il ferro del nucleo terrestre dovesse essere in una fase cubica.

“Sotto le condizioni esistenti nel nucleo, il ferro allo stato cubico mostra un modello di diffusione atomica mai osservato finora”, dichiarò lo scorso anno Anatoly Belonoshko, ricercatore del Dipartimento di Fisica del KHT.

Il fisico ed il suo team avevano osservato che il ferro puro rappresenta probabilmente il 96 % della composizione del nucelo interno, insieme ad elementi leggeri e a nichel.

A queste conclusioni gli scienziati svedesi erano giunti dopo un gran numero di simulazioni al computer Triolith, uno dei più grandi supercomputer svedesi, reinterpretando le osservazioni raccolte tre anni prima sullo stesso argomento dal Livermore Lawrence National Laboratory in California.

A bassa temperatura – spiegano i ricercatori – il ferro cubico è instabile e i piani cristallini scivolano fuori dalla struttura.

“Ma alle temperature del nucleo – sostiene Belonoshko – gli atomi non appartengono più ai piani, a causa dell’ampiezza del movimento atomico. Lo scivolamento di questi piani è paragonabile ad un mazzo di carte, in cui, anche se le carte sono in posizioni diverse, il mazzo rimane pur sempre un mazzo. Allo stesso modo, il ferro mantiene la sua struttura cubica.

“Il mescolamento porterebbe ad una distribuzione enorme delle molecole e ad un aumento dell’entropia, che rende la fase stabile”.

Normalmente, la diffusione distrugge le strutture cristalline e si ha il passaggio allo stato liquido. Le caratteristiche uniche di questa fase, come l’auto-diffusione ad alta temperatura spiegherebbero la formazione di strutture anisotrope che, a loro volta, giustificherebbero il fatto che le onde sismiche viaggiano a velocità più basse all’Equatore (in corrispondenza del nucleo terrestre) rispetto ai Poli.

Gli studiosi dell’ANU sono riusciti ora a rilevare le onde di taglio J nel nucleo, un tipo di onda che viaggia solo attraverso i solidi.

Queste onde di taglio nel nucleo interno sono così piccole e deboli che non possono essere osservate direttamente. I ricercatori hanno quindi dovuto elaborare un approccio creativo, esaminando le somiglianze tra i segnali di due ricevitori dopo un violento terremoto.

“Usando una rete globale di stazioni”- spiega il dr Tkalcic – “abbiamo preso ogni singola coppia di ricevitori ed ogni singolo grande terremoto – sono molte combinazioni – e abbiamo misurato la somiglianza tra i sismogrammi; si parla di ‘somiglianza incrociata’ o ‘misura di somiglianza’. Da queste somiglianze noi costruiamo un correlogramma globale, definendo una sorta di impronta digitale della Terra”.

Lo studio ha mostrato che questi risultati possono essere utilizzati per dimostrare l’esistenza delle onde J e dedurre la loro velocità nel nucleo interno della Terra, confermando, al tempo stesso, l’esistenza della fase solida del nucleo.