Adânc sub suprafața Pământului, nucleul interior suportă presiuni și temperaturi atât de extreme, încât unele dintre componentele sale s-ar putea comporta într-un mod neașteptat.
Experimentele unei echipe de la Science Tokyo sugerează că hidrura de fier poate intra într-o stare superionică: structura de fier rămâne solidă, iar hidrogenul se deplasează prin rețeaua ei cristalină. Rezultatele oferă indicii noi despre compoziția și comportamentul celei mai adânci regiuni a planetei.
Nucleul interior este format în principal din fier, amestecat cu o proporție mică de elemente mai ușoare. Sub presiunile și temperaturile imense de acolo, aliajele care conțin elemente precum hidrogenul, oxigenul și carbonul ar urma să devină superionice. În această stare neobișnuită a materiei, atomii de fier rămân aproape de poziții fixe în rețeaua cristalină, în timp ce atomii mai ușori se deplasează prin acea structură aproape ca un lichid. Cu alte cuvinte, materialul își păstrează scheletul solid de fier, dar hidrogenul se poate mișca prin interiorul acestuia.
Mobilitatea aceasta ar putea, în plus, să înmoaie aliajul la forfecare — o proprietate cu potențială importanță geofizică, fiindcă ar putea contribui la explicarea vitezei neobișnuit de mici a undelor seismice de forfecare prin nucleul interior. Mai simplu spus, aliajul ar putea opune mai puțină rezistență anumitor deformări, ceea ce ar influența felul în care undele seismice îl traversează. Până acum, însă, dovezile pentru această explicație veneau în principal din simulări de dinamică moleculară, nu din experimente directe.
Experimentele oferă indicii directe despre starea superionică
Cercetătorii de la Institutul de Științe din Tokyo (Science Tokyo), din Japonia, au găsit acum semne experimentale puternice că hidrura de fier cu structură cubică cu fețe centrate (fcc) — FeHX, un aliaj de fier și elemente ușoare — devine superionică în condițiile de presiune și temperatură ridicate specifice nucleului interior al Pământului.
Studiul a fost publicat în jurnalul științific Nature Geoscience. Doctoranzii Yoshihiro Nagaya și Yusuke Okazaki l-au condus împreună cu profesorul Kenji Ohta, de la Departamentul de Științe ale Pământului și Planetare al Science Tokyo. „Deoarece starea superionică a aliajelor de fier cu elemente ușoare există doar în condiții de presiune și temperatură extrem de ridicate, aceasta nu fusese observată experimental până acum. Se preconizează că FeHX va adopta fie o structură hexagonală compactă, fie una fcc în condițiile din nucleul interior, în funcție de conținutul de hidrogen”, a explicat Ohta.
Pentru a urmări cum se modifică materialul, cercetătorii au folosit difracția de raze X cu sincrotron (XRD) rezolvată în timp, care le-a permis să observe rețeaua cristalină pe măsură ce presiunea și temperatura creșteau. Practic, tehnica le-a permis să urmărească în timp real cum se modifica structura microscopică a materialului în condiții extreme. Probe minuscule de FeHX cu structură fcc au fost comprimate într-o celulă cu nicovală de diamant, la presiuni cuprinse între 50 și 110 gigapascali, apoi încălzite cu lasere la temperaturi de peste 2.000 de kelvini. Din măsurătorile rețelei în schimbare, echipa a calculat cum răspundea volumul acesteia pe măsură ce hidrogenul pătrundea în structura de fier.
Încălzirea a indicat tranziția spre starea superionică
În jurul valorii de 1.590 de kelvini, cercetătorii au detectat o anomalie distinctivă, în formă de λ, a coeficientului de dilatare termică — o caracteristică asociată cu tranzițiile de fază și observată anterior la alte materiale superionice. În termeni simpli, felul în care materialul se dilata odată cu încălzirea s-a schimbat brusc, oferind un indiciu că acesta trecea într-o altă stare.
Urmărind această caracteristică la presiuni diferite, ei au putut cartografia limita dintre forma solidă obișnuită a FeHX și forma superionică. Extinsă către presiunile preconizate în nucleul interior al Pământului, limita a dat o temperatură de tranziție care rămâne cu mult sub temperaturile estimate ale nucleului interior — un indiciu că FeHX ar putea fi superionic acolo.
O a doua serie de experimente XRD rezolvate în timp a testat dacă hidrogenul devine efectiv mobil. La temperaturi și presiuni ridicate, cercetătorii au aplicat probelor o tensiune constantă și au observat o schimbare bruscă a conținutului de hidrogen din FeHX. După răcirea rapidă a materialului la temperatura camerei, au constatat că hidrogenul se redistribuise într-o singură direcție — dovadă că devenise extrem de mobil în timpul stării superionice. Pornind de la geometria probei și de la tensiunea aplicată, cercetătorii au calculat că hidrogenul devenise foarte mobil în interiorul materialului, estimând un coeficient de difuzie de aproximativ 10³ µm²s⁻¹.
Hidrogenul mobil ar rămâne captat în nucleu
În ciuda creșterii bruște a mobilității la tranziția superionică, mișcarea hidrogenului în condițiile reale din nucleul interior ar rămâne totuși extrem de limitată. Cercetătorii au estimat că migrația determinată de câmpul geomagnetic al Pământului ar deplasa hidrogenul cu doar aproximativ 0,1 µm în decurs de 10.000 de ani. În acest ritm, hidrogenului i-ar trebui de peste 100 de ori vârsta Pământului ca să parcurgă o distanță comparabilă cu raza nucleului interior, de aproximativ 1.200 km. Rezultatul sugerează că hidrogenul încorporat în planetă în timpul formării ei ar putea rămâne captat în interiorul nucleului pe scări de timp geologice.
Experimentele ar putea ajuta cercetătorii să înțeleagă mai bine procesele din nucleul Pământului și să îmbunătățească modelele care descriu cum s-a format nucleul și cum s-a schimbat de-a lungul timpului. Studiul nu a măsurat însă direct elasticitatea aliajului în condițiile complete ale nucleului interior, un pas pe care autorii îl consideră necesar pentru a testa mai riguros legătura dintre starea superionică și particularitățile undelor seismice.
„Se preconizează că aceste descoperiri vor contribui la elucidarea anomaliilor de viteză ale undelor seismice din nucleul interior al Pământului și la înțelegerea evoluției interiorului Pământului”, a declarat Ohta.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Consumatorii de cafea au mai puțină grăsime, mai multă masă musculară și diferențe surprinzătoare la hormonii sexuali
Corpul omenesc are o „a doua inimă”, iar menținerea ei în activitate este esențială
„Nicio țară nu este protejată”: fenomenele El Niño au fost mai intense în ultimii 40 de ani decât în cei 1.000 de ani anteriori
Persoanele care trăiesc până la 100 de ani transmit copiilor lor un avantaj surprinzător în ceea ce privește sănătatea
