A destra, la struttura a strati della Terra. Il nucleo esterno liquido si trova 2.900 km sotto la superficie, dove la pressione e la temperatura sono estremamente elevate. A sinistra, i profili di velocità di propagazione delle onde sismiche e di densità per ciascun guscio, determinati dai dati sismologici. crediti: Yoichi Nakajima
Il nostro pianeta, lo sappiamo, ha una struttura a gusci sferici concentrici: una crosta superficiale, un mantello di mezzo, e un cuore interno – il nucleo – suddiviso in nucleo esterno liquido e nucleo interno solido, sottoposti a pressioni e temperature diverse ma, in entrambi i casi, elevatissime.
Il nucleo esterno, situato a circa 2900 chilometri sotto la superficie, ha come costituente principale il ferro, insieme a elementi non meglio definiti che potrebbero essere idrogeno e ossigeno. Identificare il tipo e la quantità di questi elementi leggeri è importante non solo per determinare la composizione chimica del nucleo del nostro pianeta ma anche per comprenderne meglio l’origine. Per fare ciò occorre una misurazione accurata della densità del ferro liquido puro ai valori di pressione e temperatura estremi che sono presenti nel nucleo fuso della Terra: oltre 1.36 milioni di atmosfere e temperature superiori a 4mila gradi Celsius. È solo confrontando questo valore di densità con quello del nucleo esterno che si può infatti inferire la sua composizione. Più facile a dirsi che a farsi, anche perché negli esperimenti in laboratorio in cui si cerca di determinare la densità di questo metallo liquido puro, all’aumentare della pressione aumenta anche il suo punto di fusione, motivo per cui determinarla non è cosa semplice.
Precedenti misurazioni in laboratorio erano riuscite a calcolare una densità di circa il 10% superiore a quella del nucleo esterno. Tuttavia, questi esperimenti di compressione con onde d’urto, secondo gli esperti, comportano errori di misurazione.
Una collaborazione internazionale di ricercatori guidati da Yasuhiro Kuwayama dell’Università di Tokyo ha ora stimato con precisione questo valore. Ci sono riusciti effettuando esperimenti di diffrazione dei raggi X del ferro liquido all’interno del laboratorio Spring-8 (acronimo di Super Photon Ring – 8 GeV) – uno dei cinque più grandi impianti di radiazione di sincrotrone al mondo – e utilizzando le elevate pressioni prodotte dalle enormi presse di cui lo strumento è dotato.
La camera di Renio all’interno della quale viene inserito il campione di metallo per effettuare le misurazioni della densità in condizioni di pressione e temperatura simili a quelle del nucleo esterno della Terra. Crediti: Yoichi Nakajima
In questi esperimenti, un campione di metallo viene prima inserito all’interno di una camera di Renio isolata termicamente. Successivamente, il campione viene schiacciato tra due diamanti e riscaldato con luce laser nel vicino infrarosso. Le misurazioni della densità in condizioni di alta pressione ed elevate temperature vengono infine effettuate irradiando il campione con fasci di raggi X prodotti dalla radiazione di sincrotrone.
I dati raccolti dai ricercatori a varie temperature e pressioni con questo esperimento, combinati con i precedenti dati ottenuti dagli esperimenti con le onde d’urto, hanno permesso loro di ottenere un’equazione di stato per il ferro liquido puro dalla quale estrapolare il valore di densità.
Confrontando questo valore con quello del nucleo esterno del nostro pianeta – quest’ultimo stimato grazie ai dati sismologici tra i 9 e i 12 grammi per centimetro cubo (la velocità di propagazione delle onde sismiche, similmente alla propagazione delle onde acustiche, dipende infatti anche dalla densità del mezzo) – si scopre che il ferro puro è circa l’8% più denso. Una differenza, questa, che secondo i ricercatori non può essere attribuita alla sola presenza nel nucleo esterno di ossigeno, suggerendo quindi la presenza di altri elementi leggeri.
«Per oltre 30 anni in tutto il mondo sono stati fatti molti tentativi per misurare la densità, la velocità del suono, e determinare la struttura dei liquidi a pressioni ultra elevate utilizzando celle diamantate riscaldate con luce laser, ma finora nessuno ha avuto successo», sottolinea Yoichi Nakajima, uno dei co-autori dello studio pubblicato sulla rivista Physical Review Letters che riporta i risultati di questi esperimenti. «Ci aspettiamo che le innovazioni tecnologiche che sono state raggiunte in questo studio accelerino drasticamente la ricerca sui liquidi ad alta pressione» continua lo scienziato.«Ciò permetterà di approfondire la nostra comprensione della composizione del nucleo metallico liquido e del magma nelle profondità della Terra e di altri pianeti rocciosi».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions” di Yasuhiro Kuwayama, Guillaume Morard, Yoichi Nakajima, Kei Hirose, Alfred Q. R. Baron, Saori I. Kawaguchi, Taku Tsuchiya, Daisuke Ishikawa, Naohisa Hirao e Yasuo Ohish