Miezul bogat în fier din centrul planetei noastre a avut un rol esențial în evoluția Pământului. Miezul nu doar că alimentează câmpul magnetic care protejează atmosfera terestră și oceanele de radiația solară, dar influențează și tectonica plăcilor, care a remodelat în mod continuu continentele.
Dar, în ciuda importanței sale, multe dintre cele mai importante proprietăți ale miezului rămân necunoscute. Nu știm exact cât de fierbinte este, din ce este alcătuit sau când a început să se răcească.
Din fericire, o descoperire recentă făcută de mine și colegii mei ne aduce mult mai aproape de a răspunde la toate cele trei mistere.
Știm că temperatura miezului intern al Pământului este, foarte aproximativ, în jur de 4.700 °C. A fost lichid, dar s-a răcit și a devenit solid de-a lungul timpului, extinzându-se în acest proces. Pe măsură ce se răcește, eliberează căldură către manta, antrenând curenții care stau la baza tectonicii plăcilor.
Aceeași răcire generează și câmpul magnetic al Pământului. Astăzi, cea mai mare parte a energiei câmpului provine din răcirea părții lichide a miezului și din creșterea miezului intern solid din centrul său.
Totuși, deoarece nu putem accesa miezul, trebuie să îi estimăm proprietățile pentru a înțelege cum se răcește.
O parte esențială a acestei înțelegeri este cunoașterea temperaturii sale de topire. Știm unde se află granița dintre miezul intern solid și miezul extern lichid datorită seismologiei (studiul cutremurelor). Temperatura miezului trebuie să fie egală cu temperatura sa de topire în acest punct, deoarece acolo are loc răcirea. Așadar, dacă știm exact care este temperatura de topire, putem afla mai multe despre temperatura exactă a miezului și despre alcătuirea sa.
Chimie misterioasă
În mod tradițional, avem două moduri de a determina din ce este alcătuit miezul: meteoriții și seismologia.
Studiind chimia meteoriților – despre care se crede că sunt fragmente de planete care nu s-au format niciodată sau bucăți din miezurile unor planete asemănătoare Pământului, distruse – putem avea o idee despre ce ar putea conține miezul nostru.
Problema este că aceasta ne oferă doar o imagine aproximativă. Meteoriții arată că miezul ar trebui să fie format din fier și nichel și, posibil, câteva procente de siliciu sau sulf, dar este dificil să fim mai preciși de atât.
Seismologia, pe de altă parte, este mult mai concretă. Atunci când undele sonore generate de cutremure traversează planeta, ele accelerează sau încetinesc în funcție de materialele prin care trec. Comparând timpul de propagare al acestor unde, de la cutremur până la seismometru, cu viteza undelor prin minerale și metale în experimente, putem obține o imagine despre alcătuirea interiorului Pământului.
Rezultatul este că acești timpi de propagare arată că miezul Pământului este cu circa 10% mai puțin dens decât fierul pur și că miezul extern lichid este mai dens decât miezul intern solid. Doar o anumită chimie posibilă a miezului poate explica aceste proprietăți.
Însă chiar și între o selecție restrânsă de constituenți posibili, temperaturile de topire variază cu sute de grade – lăsându-ne în continuare fără un răspuns precis despre proprietățile exacte ale miezului.
O nouă constrângere
În noua noastră cercetare, am folosit fizica mineralelor pentru a studia modul în care miezul ar fi putut începe pentru prima dată să se răcească, descoperind o metodă nouă de a înțelege chimia miezului. Și această abordare pare să fie chiar mai concretă decât seismologia și meteoriții.
Cercetări care simulează modul în care atomii din metale lichide se reunesc pentru a forma solide au arătat că unele aliaje necesită o „suprarăcire” mai intensă decât altele. Suprarăcirea este situația în care un lichid este răcit sub temperatura sa de topire. Cu cât suprarăcirea este mai intensă, cu atât mai des atomii se reunesc pentru a forma solide, determinând lichidul să se răcească mai repede.
O sticlă cu apă din congelator poate fi suprarăcită până la -5 °C timp de ore înainte să înghețe, în timp ce grindina se formează în câteva minute atunci când picăturile de apă se răcesc până la -30 °C în nori.
Explorând toate temperaturile posibile de topire ale miezului, am descoperit că suprarăcirea maximă pe care ar fi putut-o avea miezul este de aproximativ 420 °C sub temperatura de topire – orice mai mult de atât ar fi făcut ca miezul intern să fie mai mare decât arată datele seismologice. Însă fierul pur necesită o suprarăcire imposibilă, de circa 1.000 °C, pentru a se răci. Dacă ar fi fost răcit atât de mult, întregul miez ar fi înghețat, contrar observațiilor seismologilor.
Adăugarea de siliciu și sulf, despre care atât meteoriții, cât și seismologia sugerează că ar putea fi prezenți în miez, agravează și mai mult problema – necesitând o suprarăcire și mai mare.
Noua noastră cercetare explorează efectul carbonului din miez. Dacă 2,4% din masa miezului ar fi carbon, ar fi nevoie de circa 420°C de suprarăcire pentru a începe răcirea miezului intern. Este pentru prima dată când s-a arătat că răcirea miezului este posibilă. Dacă miezul ar conține 3,8% carbon, ar fi nevoie doar de 266°C de suprarăcire. Totuși, aceasta este încă mult, dar mult mai plauzibil.
Această nouă descoperire arată că, deși seismologia poate restrânge chimia posibilă a miezului la mai multe combinații de elemente, multe dintre acestea nu pot explica prezența miezului intern solid din centrul planetei.
Miezul nu poate fi alcătuit doar din fier și carbon, deoarece proprietățile seismice ale miezului cer prezența a cel puțin încă unui element. Cercetarea noastră sugerează că este mai probabil să conțină și puțin oxigen și, posibil, siliciu.
Aceasta marchează un pas semnificativ spre înțelegerea alcătuirii miezului, a modului în care a început să se răcească și a felului în care a modelat planeta noastră din interior spre exterior.
Traducere după Earth’s inner core: nobody knows exactly what it’s made of – now we’ve started to uncover the truth de Alfred Wilson-Spencer, cercetător în fizica minerală, University of Leeds.
