Perché il nucleo della Terra è solido?

Anche se è più caldo della superficie del Sole, il nucleo di ferro al centro della Terra è solido. Come questo sia possibile è oggetto di un dibattito che prosegue da molti anni, e che finalmente potrebbe avere trovato la soluzione in un nuovo studio pubblicato dal KTH Royal Institute of Technology (Svezia), insieme alla risposta a un'altra domanda che vi è legata: perché le onde sismiche viaggiano a velocità più elevate tra i poli del nostro pianeta che attraverso l'equatore.

Il nucleo terrestre, ossia la sfera più interna al centro degli strati concentrici che compongono il nostro pianeta, è una formazione di ferro cristallizzato quasi puro, di dimensioni grossomodo paragonabili a quelle della Luna. Indagini geofisiche indicano che è solido, ma com'è possibile dato che la temperatura è superiore a quella necessaria per fondere il ferro? La comprensione di questa strana caratteristica non osservabile direttamente è legata alla conoscenza della struttura molecolare di questi cristalli, che gli scienziati stanno cercando di conseguire da anni.

Come con tutti i metalli, le strutture cristalline del ferro su scala atomica cambiano a seconda della temperatura e della pressione a cui il metallo è esposto. Gli atomi si dispongono in strutture cristalline formate da "celle elementari" che possono essere di forme differenti: a temperatura ambiente e pressione atmosferica standard (1 atm) sappiamo che gli atomi di ferro si dispongono in un reticolo cubico a corpo centrato (BCC), ossia una struttura geometrica formata da otto vertici e un punto centrale. Ad altissima pressione però  questa struttura viene modificata in un reticolo esagonale con 12 punti (HCP).

Al centro della Terra, dove la pressione è 3,5 milioni di volte superiore a quella in superficie, e la temperatura raggiunge circa 6.000 gradi, gli scienziati stimavano che una BCC fosse instabile. Invece lo studio pubblicato su Nature Geosciences appura che ci sarebbe un'architettura BCC. Anatoly Belonoshko, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica di KTH, spiega che quando i ricercatori hanno esaminato le simulazioni hanno scoperto che quelle caratteristiche della BCC che si pensava rendessero instabile il nucleo, in realtà facevano esattamente il contrario.

Finora gli scienziati pensavano che a causa delle condizioni estreme del nucleo, con una pressione di 3,5 milioni di volte superiore a quella in superficie e con una temperatura di circa 6000°C, non si potesse realizzare la struttura BCC favorendo invece la realizzazione della struttura HCP.

Lo studio pubblicato su Nature Geosciences rivela che ci sarebbe un'architettura BCC. Anatoly Belonoshko, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica di KTH, spiega che quando i ricercatori hanno esaminato le simulazioni hanno scoperto che quelle caratteristiche della BCC che si pensava rendessero instabile il nucleo, in realtà facevano esattamente il contrario.

"Nelle condizioni del nucleo terrestre, il ferro in BCC mostra un modello di diffusione atomica mai osservato in precedenza" spiega Belonoshko, mostrando i dati che dimostrano anche che il ferro puro probabilmente rappresenta il 96 percento della composizione del nucleo interno della Terra, insieme al nichel e ad altri elementi leggeri.

Come avrete intuito le conclusioni si basano sulle simulazioni al computer condotte con Triolith, uno dei più grandi supercomputer svedesi, che ha permesso di reinterpretare osservazioni raccolte tre anni fa presso il Livermore Lawrence National Laboratory in California. "Sembra che i dati sperimentali che confermano la stabilità della BCC nel nucleo fossero di fronte a noi, ma non sapessimo cosa significassero realmente".

La conclusione è che a bassa temperatura la BCC è instabile, ma a temperature elevate la stabilizzazione di queste strutture avviene come mischiando un mazzo di carte, perché il calore e la pressione portano gli atomi a disporsi su più piani che scorrono l'uno sull'altro "un po' come mischiare un mazzo di carte: anche se le carte sono disposte in posizioni diverse, il mazzo resta tale, e allo stesso modo la BCC conserva la sua struttura cubica".

Questo rimescolamento porta a un enorme aumento nella distribuzione di molecole e di energia, che a sua volta comporta un aumento di entropia, che rende stabile la BCC. A questo punto viene da chiedersi come mai la diffusione non distrugga le strutture cristalline trasformandole in liquido. La risposta di Belonoshko è che la diffusione è proprio l'elemento che permette al ferro di preservare la struttura BCC: "la fase di BCC segue il motto 'ciò che non mi uccide mi rende più forte'. L'instabilità uccide la fase BCC a bassa temperatura, ma la rende stabile a temperatura elevata".

Una teoria che spiegherebbe anche perché il nucleo della Terra è anisotropo - ha caratteristiche che dipendono dalla direzione lungo la quale vengono considerate - come le venature del legno. A sua volta l'anisotropia spiega perché le onde sismiche viaggiano più veloce tra i poli della Terra, che attraverso l'equatore.

"Le caratteristiche uniche della fase Fe-BCC potrebbero essere responsabili della formazione di strutture anisotrope su larga scala" conclude l'autore. Studiare il nucleo terrestre ci permette non solo di comprendere com'è fatta la Terra al suo interno, ma anche "comprendere il passato, il presente e il futuro".