8 Minute
De ce miezul Pământului contează și ce rămâne necunoscut
Miezul bogat în fier situat în centrul Pământului este esențial pentru evoluția pe termen lung a planetei. El susține geodinamica care generează câmpul magnetic, protejând atmosfera și oceanele de vântul solar și de radiația cosmică. Căldura eliberată din miez contribuie, de asemenea, la convecția mantalei și la tectonica plăcilor — procese care au modelat continentele și au influențat clima de-a lungul timpului geologic.
În ciuda acestei importanțe, multe proprietăți fundamentale ale miezului rămân nesigure. Oamenii de știință nu au ajuns încă la un consens privind temperatura exactă a nucleului intern, amestecul precis de elemente ușoare pe care îl conține sau momentul și mecanismul prin care miezul, cândva lichid, a început să se solidifice. Prelevarea directă este imposibilă, astfel că cercetătorii se bazează pe dovezi indirecte și pe experimente care recreează presiuni și temperaturi extreme.
Un studiu recent, folosind simulări de fizică minerală, sugerează că o variabilă anterior subapreciată ar putea ajuta la rezolvarea acestor incertitudini: carbonul. Această lucrare leagă comportamentul la scară atomică în aliajele de fier de constrângerile la scară mare obținute din seismologie și oferă o fereastră mai strâmtă asupra chimiei miezului, comportamentului la topire și condițiilor necesare pentru înghețarea nucleului intern.
Context științific: structură, seismologie și chimia meteoriților
Miezul Pământului este împărțit într-un nucleu intern solid și un nucleu extern lichid. Seismologia — studiul modului în care undele seismice călătoresc prin Pământ — identifică raza nucleului intern și oferă constrângeri privind densitatea și vitezele seismice. Măsurătorile de laborator ale mineralelor și metalelor la presiuni înalte sunt apoi folosite pentru a deduce ce amestecuri de elemente reproduc semnalele seismice observate.
Meteoriții oferă o constrângere complementară, dar mai largă. Unii meteoriți sunt fragmente ale materialelor planetare timpurii și indică o compoziție plauzibilă de pornire pentru blocurile de construcție ale Pământului. Chimie meteoritică sugerează că miezul ar trebui să fie în mare parte fier și nichel, cu câteva procente în greutate de elemente mai ușoare, cum ar fi siliciu, sulf, oxigen sau carbon. Totuși, datele meteoritice nu sunt suficient de precise pentru a stabili proporțiile exacte.
Datele seismice implică faptul că miezul este aproximativ cu 10% mai puțin dens decât fierul pur la presiunile din miez și că nucleul extern lichid este mai puțin dens decât nucleul intern solid. Doar anumite combinații de aliaje corespund acestor cerințe de densitate și viteză. Cu toate acestea, între compozițiile candidate, temperaturile de topire prezise pot diferi cu sute de grade Celsius, ceea ce ne limitează capacitatea de a deduce temperatura nucleului intern și momentul cristalizării sale.
O nouă constrângere din fizica minerală și rolul carbonului
Cercetarea recentă aplică simulări de fizică minerală procesului de nucleație — modul în care atomii dintr-un lichid încep să se organizeze într-un cristal solid. În aliajele metalice, diferitele adaosuri de elemente ușoare modifică cât de ușor poate începe înghețarea lichidului. Unele aliaje necesită o subrăcire substanțială sub temperatura lor de echilibru înainte ca solidificarea să pornească; altele cristalizează mai ușor.
Studiul a modelat aliaje fier-carbon la presiuni și temperaturi relevante pentru miez și a estimat gradul de subrăcire necesar pentru a nuclea fazele solide de fier. Rezultatele sugerează că fracțiunea de masă a carbonului afectează puternic subrăcirea necesară. Dacă miezul ar conține aproximativ 2,4 procente carbon în masă, ar fi necesari aproximativ 420 de grade Celsius de subrăcire pentru a iniția înghețarea nucleului intern. Creșterea carbonului la aproximativ 3,8 procente reduce subrăcirea necesară la circa 266 de grade Celsius — încă semnificativ, dar mult mai plauzibil în lumina modelelor de evoluție termică ale Pământului.
Aceste cifre stabilesc o nouă constrângere: nu toate compozițiile care se potrivesc densităților seismice pot forma plauzibil un nucleu intern solid în istorii termice realiste. În particular, un nucleu alcătuit numai din fier și carbon pare inconsistent cu observațiile seismice, deoarece vitezele seismice cer și alte elemente ușoare. Simulările favorizează, prin urmare, combinații care includ cantități mici de oxigen și, posibil, siliciu, pe lângă carbon și sulf.
Implicații pentru temperatura și vârsta nucleului intern
Pentru că limita nucleului intern trebuie să se afle în condiții în care temperatura este egală cu punctul de topire, o mai bună cunoaștere a comportamentului la topire restrânge estimările temperaturii nucleului intern. Asta, la rândul său, îmbunătățește modelele privind cât de repede s-a răcit miezul de-a lungul timpului geologic și oferă constrângeri asupra momentului când nucleul intern a început să cristalizeze — un parametru cheie pentru înțelegerea stabilității pe termen lung a câmpului magnetic al Pământului.
Expert Insight
Dr. Elena Morales, o fiziciană planetară cu experiență în experimente la presiuni înalte, comentează: "Legarea fizicii nucleației de compoziția miezului reprezintă un avans conceptual important. Seismologia ne spune cum arată miezul la scară mare, dar fizica minerală poate limita ce amestecuri sunt fizic plauzibile când vine vorba de formarea unui nucleu intern solid. Sugestia că o fracțiune modestă de carbon combinată cu oxigen sau siliciu explică mai bine formarea nucleului intern ajută la punerea în legătură a lucrărilor de laborator cu observațiile geofizice."
Această perspectivă reflectă modul în care tehnici diferite converg. Seismologia oferă constrângeri structurale, meteoriții furnizează end-members compoziționali, iar simulările de fizică minerală oferă acum constrângeri dinamice asupra modului în care miezul s-ar putea topi și solidifica.
Direcții viitoare și context tehnologic
Confirmarea acestor rezultate va necesita abordări complementare. Experimentele la presiuni și temperaturi înalte, folosind celule cu nicovală de diamant și încălzire cu laser, pot măsura direct comportamentul la topire și nucleație în probe mici. Progresele în comprimarea dinamică (compresie prin șoc și rampă) permit cercetătorilor să investigheze topirea și solidificarea tranzitorie la presiuni similare cu cele din miez. O imagistică seismică îmbunătățită și măsurători mai precise ale proprietăților miezului vor rafina constrângerile macroscopice pe care modelele de compoziție trebuie să le satisfacă.
Înțelegerea compoziției și a solidificării miezului este relevantă și pentru comparații planetare. Aceleași principii se aplică altor planete terestre și exoplanete mari: chimia miezului influențează generarea câmpului magnetic, istoria termică și dinamica interiorului. Dacă carbonul joacă un rol semnificativ în miezul Pământului, acesta ar putea fi o variabilă importantă în modelele de evoluție planetară din întregul sistem solar.
Concluzie
Simulările recente de fizică minerală indică faptul că carbonul, în combinație cu alte elemente ușoare precum oxigenul și siliciul, poate influența semnificativ când și cum a început să se solidifice nucleul intern al Pământului. Prin legarea comportamentului de nucleație la scară atomică de constrângerile seismice și meteoritice, cercetarea restrânge gama de compoziții plauzibile ale miezului și oferă o nouă cale pentru estimarea temperaturii și vârstei nucleului intern. Experimentele de laborator în curs, tehnicile de presiune înaltă și observațiile seismice vor fi necesare pentru a valida și rafina aceste concluzii, dar abordarea marchează un pas semnificativ spre rezolvarea întrebărilor de lungă durată despre compoziția și evoluția interiorului profund al Pământului.
Sursa: theconversation
Comentarii