Il nucleo interno della Terra, quella sfera compatta di ferro e leghe leggere situata a circa 5.150 chilometri di profondità, sottoposta a pressioni superiori a 3,3 milioni di atmosfere e riscaldata a temperature paragonabili alla superficie del Sole, ha da sempre rappresentato un enigma per la geofisica. Nonostante sia solido, questo strato profondo del nostro pianeta si comporta in modo anomalo: rallenta le onde sismiche di taglio e mostra un rapporto di Poisson – parametro che misura la deformabilità dei materiali – più simile a quello del burro che dell'acciaio. Come può il centro solido della Terra apparire al contempo rigido e stranamente malleabile?
Una ricerca pubblicata sulla rivista National Science Review fornisce ora una spiegazione convincente a questo paradosso che ha sfidato i geofisici per decenni. Il team guidato dal professor Youjun Zhang e dalla dottoressa Yuqian Huang dell'Università del Sichuan, in collaborazione con il professor Yu He dell'Istituto di Geochimica dell'Accademia Cinese delle Scienze, ha dimostrato sperimentalmente che il nucleo interno terrestre esiste in uno stato superionico, una fase esotica della materia in cui gli elementi leggeri si muovono attraverso una struttura cristallina di ferro come se fossero liquidi, pur mantenendo la rete metallica stabile e ordinata.
La chiave per comprendere questo comportamento risiede nelle leghe ferro-carbonio sottoposte alle condizioni estreme del nucleo interno. Utilizzando una piattaforma di compressione dinamica da shock, i ricercatori hanno accelerato campioni di lega ferro-carbonio fino a 7 chilometri al secondo, raggiungendo pressioni di 140 gigapascal e temperature prossime ai 2600 kelvin – parametri che riproducono fedelmente l'ambiente del nucleo terrestre. Attraverso misurazioni in situ della velocità del suono abbinate a simulazioni avanzate di dinamica molecolare, il team ha osservato un drastico calo della velocità delle onde di taglio e un marcato aumento del rapporto di Poisson, risultati perfettamente coerenti con le anomalie sismiche registrate nelle profondità terrestri.
A livello atomico, i dati hanno rivelato uno scenario affascinante: gli atomi di carbonio si muovono liberamente attraverso la struttura ordinata del ferro, indebolendo la rigidità della lega senza causare il collasso del reticolo cristallino. "Per la prima volta abbiamo dimostrato sperimentalmente che una lega ferro-carbonio nelle condizioni del nucleo interno presenta una velocità di taglio notevolmente ridotta", ha spiegato il professor Zhang. "In questo stato, gli atomi di carbonio diventano estremamente mobili, diffondendosi attraverso la struttura cristallina del ferro come bambini che si muovono in una danza popolare, mentre il ferro stesso rimane solido e ordinato".
Questa conferma sperimentale rappresenta un importante passo avanti rispetto alle simulazioni computazionali del 2022 che avevano ipotizzato per prime l'esistenza di questa fase esotica nel nucleo terrestre. Fino ad oggi, riprodurre in laboratorio le condizioni estreme del centro del pianeta era risultato estremamente difficile, rendendo impossibile verificare direttamente queste previsioni teoriche. La tecnica di compressione da shock utilizzata dal team cinese ha finalmente superato questo ostacolo metodologico.
Le implicazioni di questa scoperta si estendono ben oltre la risoluzione di un'anomalia sismica. Il modello superionico non solo spiega le caratteristiche elastiche inaspettatamente morbide del nucleo interno, ma potrebbe anche chiarire l'origine dell'anisotropia sismica – le variazioni direzionali nella velocità delle onde sismiche – osservata in questa regione. Ancora più significativo, il movimento fluido degli elementi leggeri potrebbe contribuire al mantenimento del campo magnetico terrestre, quella bolla protettiva che scherma il nostro pianeta dalle radiazioni cosmiche e dal vento solare.
"La diffusione atomica all'interno del nucleo interno rappresenta una sorgente energetica precedentemente trascurata per la geodinamo", ha sottolineato la dottoressa Huang. "Oltre al calore e alla convezione composizionale, il movimento simil-fluido degli elementi leggeri potrebbe contribuire ad alimentare il motore magnetico terrestre". Questa prospettiva aggiunge un nuovo tassello alla comprensione dei meccanismi che generano e sostengono il campo geomagnetico, un fenomeno fondamentale per la vita sulla Terra.
La ricerca chiarisce inoltre un dibattito scientifico che riguarda il comportamento degli elementi leggeri sotto pressioni estreme. Mentre studi precedenti si erano concentrati principalmente su composti o leghe sostituzionali, questo lavoro evidenzia il ruolo cruciale delle soluzioni solide interstiziali – in particolare quelle che coinvolgono il carbonio – nel determinare le proprietà fisiche del nucleo. Questa distinzione è fondamentale per sviluppare modelli accurati della struttura interna dei pianeti rocciosi.
Secondo il professor Zhang, questi risultati segnano un cambiamento di paradigma nell'interpretazione del nucleo interno terrestre. "Stiamo passando da un modello statico e rigido del nucleo interno a uno dinamico", ha affermato. Le conseguenze di questa nuova visione potrebbero estendersi oltre il nostro pianeta: identificare una fase superionica nel nucleo terrestre potrebbe infatti migliorare la comprensione dell'evoluzione magnetica e termica di altri pianeti rocciosi e degli esopianeti, quei mondi orbitanti attorno a stelle lontane che potrebbero condividere caratteristiche simili alla Terra.
Il prossimo passo sarà verificare se altri elementi leggeri presenti nel nucleo – come silicio, ossigeno e idrogeno – possano anch'essi entrare in stati superionici nelle condizioni del nucleo interno, e in che modo la loro mobilità influenzi le proprietà sismiche e magnetiche complessive del pianeta. Come ha sottolineato Zhang, "comprendere questo stato nascosto della materia ci avvicina di un passo alla comprensione dei segreti degli interni planetari simili alla Terra". La ricerca è stata finanziata dalla Fondazione Nazionale delle Scienze Naturali della Cina, dal Programma per la Scienza e la Tecnologia del Sichuan e dal Team Interdisciplinare Giovanile dell'Accademia Cinese delle Scienze.