7 Minute
Nouă constrângere asupra chimiei nucleului: carbonul ca agent de înghețare
Desen animat al Pământului cu o secțiune care arată mantaua și miezul interior şi exterior. Liniile câmpului magnetic produse de geodinamo se extind în spațiu și interacționează cu vântul solar.
O echipă multinatională de la University of Oxford, University of Leeds și University College London raportează că carbonul ar putea fi ingredientul hotărâtor care a permis miezului exterior topit al Pământului să cristalizeze în miezul interior solid pe care îl observăm astăzi. Publicat în Nature Communications pe 4 septembrie 2025, studiul derivă o constrângere cantitativă asupra compoziției nucleului: aproximativ 3,8 procente din masa nucleului sub formă de carbon ar reduce gradul de superrăcire necesar pentru inițierea înghețului la valori compatibile cu dovezile paleomagnetice și geofizice.
Înțelegerea motivului și a modului în care s-a format miezul interior este importantă deoarece creșterea miezului interior alimentează convecția în miezul exterior care generează geodinamo — câmpul magnetic ce protejează Pământul de radiațiile solare și cosmice și care a contribuit la menținerea vieții la suprafață.
Context științific: superrăcire, nucleație și compoziția nucleului
Formarea unui miez interior solid nu este pur și simplu o problemă de temperatură care trece peste un punct de topire. În schimb, fizica nucleației controlează începutul cristalizării. Aliajele de fier topite pot fi superrăcite mult sub temperatura lor de topire de echilibru înainte ca cristalele să apară; analogii clasice includ picăturile de nor care se pot răci mult sub 0 °C fără a îngheța.
Lucrări teoretice anterioare indicau că un nucleu format din fier pur ar necesita o superrăcire extremă — de ordinul a 800–1000 °C — pentru a nuclea cristale. Acest scenariu intră în conflict cu constrângerile geofizice: dacă nucleul Pământului ar fi fost atât de profund superrăcit, modelele prezic o creștere foarte rapidă a miezului interior și colapsul câmpului magnetic planetar, niciunul dintre acestea nefiind în concordanță cu înregistrările paleomagnetice sau seismice. În schimb, studii independente sugerează că superrăcirea trecută a fost limitată la aproximativ 250 °C sub temperatura de topire.
Această discrepanță evidențiază importanța elementelor de aliere din nucleu. Seismologia deja indică faptul că nucleul este mai puțin dens decât fierul pur, astfel că elemente precum siliciu, sulf, oxigen și carbon au fost propuse de mult timp ca componente ușoare. Noul studiu modelează explicit modul în care aceste elemente ușoare influențează nucleația și calea de îngheț la presiuni și temperaturi echivalente cu limita miezului interior.
Metode: simulări la scară atomică ale nucleației în condiții de nucleu
Echipa a folosit simulări atomice la scară largă, urmărind aproximativ 100.000 de atomi sub condițiile extreme de presiune și temperatură din interiorul adânc al Pământului. Aceste calcule la scară moleculară permit estimarea directă a ratelor de nucleație: cât de frecvent se formează și cresc clusterele cristaline mici dintr-un lichid superrăcit.
Variind chimia aliajului, cercetătorii au cuantificat cum fiecare element ușor candidat schimbă superrăcirea necesară pentru nucleație. Au testat amestecuri cu concentrații reprezentative de siliciu, sulf, oxigen și carbon pentru a stabili ce compoziții pot atât să nucleeze la superrăciri moderate, cât și să corespundă dimensiunii observate a miezului interior actual.
Simulările arată că siliciul și sulful, în opoziție cu unele așteptări, tind să încetinească nucleația și, prin urmare, necesită grade mai mari de superrăcire. Carbonul, însă, are efectul opus: catalizează nucleația în aceste aliaje bogate în fier, scăzând bariera pentru îngheț și permițând formarea miezului interior cu mult mai puțină superrăcire.
Rezultate cheie și implicații pentru evoluția Pământului
Când echipa a modelat un nucleu care conținea aproximativ 2,4 procente carbon în masă, superrăcirea necesară prezisă a scăzut la circa 420 °C — o îmbunătățire, dar încă mai mare decât limitele paleomagnetice. Extrapolând simulările la o compoziție a nucleului cu aproximativ 3,8 procente carbon, s-a obținut o superrăcire necesară în jur de 266 °C, compatibilă cu constrângerile independente și cu dimensiunea prezentă a miezului interior.
Această compoziție este singura identificată în studiu care explică simultan comportamentul de nucleație și dimensiunile miezului interior inferate seismic. Rezultatul sugerează, prin urmare, că carbonul poate fi o componentă mai semnificativă a nucleului Pământului decât au presupus multe modele anterioare și că carbonul a jucat un rol crucial în permiterea nucleației miezului interior în istoria timpurie a Pământului.
Alte implicații includ:
Stabilitatea câmpului magnetic
Nucleația miezului interior și creșterea ulterioară furnizează energie și flotabilitate compozițională care alimentează convecția din miezul exterior și susțin geodinamo. Un miez interior întârziat sau absent ar modifica istoria câmpului magnetic, cu consecințe pentru retenția atmosferei și habitabilitatea la suprafață.
Constriângeri asupra formării planetare și livrării de volatili
Dacă nucleul Pământului conține câteva procente de carbon, acest lucru limitează modelele de acreție și repartizarea volatilor în timpul formării planetare și poate informa comparațiile cu alte corpuri terestre.
Studiul mai constată că înghețarea miezului interior ar putea avea loc fără semințe externe de nucleație, deoarece particulele candidate testate în modele anterioare s-ar topi sau dizolva în condițiile din nucleu, întărind importanța chimiei aliajului ca factor primar de control.
Perspective ale experților
Dr. Amelia Reyes, o fiziciană planetară care nu a fost implicată în studiu, observă că lucrarea evidențiază modul în care fizica la scară atomică se proiectează asupra evoluției planetare. Ea comentează că scenariul bogat în carbon este plauzibil, date fiind constrângerile din chimia meteoritică, și oferă o legătură coerentă între observațiile seismice, paleomagnetism și termodinamica nucleului. În opinia ei, rezultatul motivează teste de laborator și observaționale care să poată restrânge bugetul de carbon al adâncurilor Pământului.
Cercetătorii principali subliniază semnificația mai largă a legării cineticii microscopică a nucleației de comportamentul planetar macroscopic. Ei subliniază, de asemenea, valoarea simulărilor de înaltă fidelitate în explorarea regiunilor Pământului inaccesibile prelevării directe. Cercetarea a fost susținută de Natural Environment Research Council (NERC).
Concluzie
Noile simulări la scară atomică indică faptul că o fracțiune modestă, dar semnificativă, de carbon în nucleul Pământului — în jur de 3,8 procente în masă — ar fi redus pragul de superrăcire suficient pentru a permite nucleația miezului interior în acord cu constrângerile geofizice. Această constatare reproiectează rolul carbonului în chimia nucleului, întărește o legătură mecanistică între compoziția nucleului și evoluția câmpului magnetic și oferă un obiectiv testabil pentru experimente viitoare și modele de formare planetară. Clarificând modul în care s-a putut forma miezul interior solid, lucrarea avansează înțelegerea noastră asupra adâncurilor Pământului și asupra stabilității pe termen lung a geodinamo.
Sursa: sciencedaily
Comentarii