Materia ciudată „superionică” ar putea constitui nucleul interior al Pământului

Un material ciudat care se comportă ca un amestec de lichid și solid ar putea fi ascuns în adâncul Pământului.

Simulările pe calculator descrise în două studii sugerează că materialul din nucleul interior al Pământului, care include fier și alte elemente mai ușoare, ar putea fi într-o stare „superionică”. Aceasta înseamnă că, în timp ce fierul rămâne pe loc, ca într-un solid, elementele mai ușoare curg ca un lichid.

Cercetarea oferă o potențială privire asupra funcționării interne a unui tărâm enigmatic și inaccesibil al planetei. Conform înțelepciunii științifice convenționale, nucleul Pământului este format dintr-un miez exterior lichid care înconjoară un miez interior solid (SN: 1/28/19). Dar, dincolo de faptul că știu că nucleul interior este bogat în fier, oamenii de știință nu știu exact ce alte elemente sunt prezente și în ce cantități.

„Nucleul interior este foarte dificil de analizat, pur și simplu pentru că este atât de adânc sub picioarele noastre”, spune geofizicianul Hrvoje Tkalčić de la Universitatea Națională Australiană din Canberra.

Undele seismice stârnite de cutremure pot străbate nucleul interior, oferind indicii despre ceea ce se află în interior. Dar măsurătorile acestor unde au lăsat cercetătorii nedumeriți. Viteza unui tip de undă, numită undă de forfecare, este mai mică decât se aștepta pentru fierul solid sau pentru multe tipuri de aliaje de fier – amestecuri de fier cu alte materiale. „Acesta este un mister în ceea ce privește nucleul interior”, spune geofizicianul Yu He de la Academia Chineză de Științe din Guiyang.

Într-un nou studiu, He și colegii săi au simulat un grup de 64 de atomi de fier, împreună cu diferite tipuri de elemente mai ușoare – hidrogen, carbon și oxigen – la presiunile și temperaturile așteptate pentru nucleul interior. Într-un solid normal, atomii se aranjează într-o grilă ordonată, păstrându-și pozițiile. Într-un material superionic, unii dintre atomi se aranjează ordonat, ca într-un solid, în timp ce alții sunt spirite libere, ca un lichid, care alunecă direct prin rețeaua solidă. În cadrul simulării, cercetătorii au constatat că elementele mai ușoare se mișcă, în timp ce fierul rămâne pe loc.

Acest statut superionic a încetinit undele de forfecare, raportează cercetătorii pe 9 februarie în Nature, sugerând că faza ciudată a materiei ar putea explica viteza neașteptată a undelor de forfecare măsurată în miezul interior.

Undele de forfecare, cunoscute și sub numele de unde secundare sau unde S, zdruncină Pământul perpendicular pe direcția lor de deplasare, precum ondulațiile care se deplasează de-a lungul unei frânghii de sărituri care se mișcă în sus și în jos (SNS: 1/12/18). Alte unde, numite unde primare sau unde P, comprimă și dilată Pământul într-o direcție paralelă cu deplasarea lor, ca un acordeon care este strâns.

Pentru a explica cu adevărat nucleul interior, oamenii de știință trebuie să găsească o combinație de elemente care să se potrivească cu tot ceea ce știu oamenii de știință despre nucleul interior, inclusiv viteza undelor S, viteza undelor P și densitatea sa. „Trebuie să se potrivească cu toate cele trei lucruri, altfel nu funcționează”, spune fizicianul de minerale John Brodholt de la University College London.

Într-un studiu publicat în august 2021 în Earth and Planetary Science Letters, Brodholt și colegii săi au făcut exact acest lucru. O simulare a atomilor de fier, siliciu și hidrogen a reprodus caracteristicile cunoscute ale nucleului interior. În cadrul simulării, materialul era, de asemenea, superionic: Fierul și siliciul rămâneau în poziție, în timp ce hidrogenul curgea ca un lichid.

Dar Brodholt notează că rezultatul lor este doar o posibilă explicație pentru proprietățile nucleului interior. Brodholt și colegii săi au găsit anterior și alte combinații de elemente care ar putea explica nucleul interior fără a deveni superionic, spune el, lăsând nerezolvată întrebarea despre ce se ascunde în cele mai adânci adâncimi ale Pământului.

O altă enigmă a inimii Pământului este faptul că structura nucleului interior pare să se schimbe în timp. Acest lucru a fost interpretat anterior ca o dovadă că nucleul interior se rotește cu o viteză diferită față de restul Pământului. Dar He și colegii săi sugerează că ar putea rezulta, în schimb, din mișcările elementelor ușoare de tip lichid care se învârt în interiorul nucleului interior și care schimbă distribuția elementelor în timp. „Această lucrare oferă un fel de explicație pentru ambele fenomene” – viteza lentă a undelor de forfecare și structura schimbătoare – spune Tkalčić, care nu a fost implicat în niciunul dintre cele două noi studii.

Un lucru care lipsește sunt experimentele de laborator care să arate cum se comportă aceste combinații de elemente în condiții de nucleu interior, spune geofizicianul Daniele Antonangeli de la Universitatea Sorbona din Paris, care nu a fost implicat în noile cercetări. Astfel de teste ar putea ajuta la confirmarea faptului că simulările sunt corecte.

Experimentele anterioare au găsit dovezi că gheața de apă poate deveni superionică, probabil în condițiile găsite în interiorul lui Uranus sau Neptun (SN: 2/5/18). Dar cercetătorii nu pot încă să sondeze comportamentul materialelor superionice în condițiile despre care se crede că există în interiorul nucleului Pământului. Așadar, oamenii de știință vor trebui să continue să împingă testele la noi extreme, spune Antonangeli. „Experimentatorul din mine tânjește să vadă validarea experimentală a acestui lucru”.