NUCLEUL INTERIOR AL PĂMÂNTULUI ESTE ÎN OSCILAȚIE ȘI TRANSLATARE ANORMALĂ?
Abordarea teoretică a fizicii minerale bazată pe metodele ab initio a fost adoptată pentru determinarea vâscozității fierului grupat hexagonal la presiunile și temperaturile corespunzătoare nucleului interior al Terrei. Se pare că rezultatele sunt în contradicție cu observațiile geofizice ale unor fluctuații mari în rata de rotație a nucleului interior. Vâscozitatea obținută excludea, de asemenea, translatarea miezului interior, oferind suport pentru ideea că dinamica miezului interior ar putea fi guvernată de convecția în stare solidă.
Nucleul intern al Pământului, ascuns la o adâncime de 5.150 km sub picioarele noastre, este compus în principal din fier solid și este expus la presiuni între 329 – 364 GPa (care sunt de 3,3 – 3,6 milioane de ori mai mari decât presiunea atmosferică) și temperaturi între 5000 și 6000 K (aprox 5000 grade Celsius). Observațiile seismologice anterioare au arătat că viteza undelor seismice produse de cutremure depinde de direcția lor, atunci când călătoresc prin miezul intern, fenomen cunoscut sub numele de ”anisotropie seismică”. Acest lucru se datorează alinierii cristalelor de fier, ceva ce poate fi cauza prin deformarea din interiorul miezului intern. Au fost, de asemenea, raportate variații mai specifice ale anisotropiei seismice între emisfera estică și vestică a miezului intern. Alte studii seismice sugerează ”fluctuații distincte ale vitezei de rotație a miezului”, în raport cu cea a crustei și a mantalei Pământului. Deși modelările geodinamice anterioare prezic că asimetria emisferică a structurii seismice de anisotropie poate fi explicată printr-o ”mișcare de translație a miezului interior” și că variațiile în lungimea unei zile pot fi explicate prin cuplarea gravitațională dintre manta și un nucleu interior slab, cauzele și mecanismele acestor caracteristici enigmatice rămân neclare, pentru că modelarea lor se bazează pe ”tăria vâscozității” fierului în condițiile extreme din centrul Pământului.
Vâscozitatea materialelor depinde de modul în care cristalele de fier suferă o deformare plastică ca răspuns la solicitarea mecanică, iar mecanismele de deformare numite ”fluaj” sunt în general așteptate în condiții de temperatură ridicată și solicitare redusă. Fluxul cristalelor solide este în general instalat de către mișcarea aranjamentelor imperfecte de atomii structurilor de cristal numite ”defecte structurale” și este limitat în special de ”difuziunea atomică” sub condițiile miezului interior. Astfel de condiții impun dificultăți tehnice pentru experimentele de laborator, făcând practic imposibile măsurătorile asupra vâscozității miezului intern. În schimb, dr. Sebastian Ritterbex – cercetător post-doctoral și prof. Taku Tsuchiya de la Centrul de Cercetare în Geodinamică de la Univ. Ehime, au aplicat simulări computerizate la scară atomică, bazate ăe teoria mecanicii cuantice, numite ”metodele ab initio”, pentru a cuantifica difuzia atomică în structuri hexagonale închise de fier, probabil cea mai stabilă fază a fierului din miezul interior.
Această abordare teoretică a fizicii minerale poate calcula electronic foarte precis proprietățile și legăturile chimice cu mare acuratețe și, prin urmare, este destul de importantă în investigarea proprietăților materiale în condiții extreme, care sunt dificil de gestionat prin experimente. În acest studiu, tehnica a fost aplicată pentru a calcula auto-difuziunea fierul prin intermediul energeticii de formare și migrare a defectelor punctuale. Rezultatele sunt aplicate modelelor macroscopice ale plasticității intra-cristaline pentru a calcula numeric comportamentul de fluaj al fierului hcp. Modelarea oferă dovezi că vâscozitatea fierului hcp este mai mică decât cea postulată în modelările geofizice anterioare și este determinată de transportul prin structura de cristal a mecanismului de deformare plastică, cunoscută ca ”fluaj de dislocare”, care poate duce la formarea de orientări cristalografice preferate. Aceasta sugerează că fluxul de fier hcp ar putea contribui real la alinierea cristalelor, respectiv la anisotropia din miezul intern. Rezultatele aruncă o nouă lumină asupra proprietăților enigmatice ale miezului interior. Cercetătorii demonstrează că vâscozitatea scăzută a fierului hcp derivat din abordarea teoretică a fizicii minerale este în concordanță cu o cuplare puternică între miezul interior și mantaua, compatibil cu observațiile geofizice ale fluctuațiilor mici ale vitezei de rotație a miezului interior. Rezultatele prezic că miezul interior este prea slab pentru a suferi mișcarea de translație, ceea ce înseamnă că structura emisferică asimetrică are probabil o altă origine, încă necunoscută. În schimb, tensiunile mecanice de zeci de Pa sunt suficiente pentru a transforma fierul hcp prin fluajul de dislocare la viteze de efort extrem de mici, comparabile cu forțele candidate să conducă convecția nucleului interior. Vâscozitatea asociată nu este o constantă, ci depinde în schimb de stresul mecanic aplicat miezului interior, comportament cunoscut sub numele de ”reologie non-Newtoniană”. Acest comportament de deformare non-lineară este prin urmare de așteptat să guverneze dinamica miezului interior al Terrei.
În viitor, modelări mai cantitative, utilizând proprietățile de vâscozitate ale fierului hcp obținute prin acest studiu, ar putea îmbunătăți înțelegerea miezului interior al Pământului.
Sursa: PHYS.org; By: Ehime University; Studiu publicat în Scientific Reports; Traducere și adaptare: CPC.
