A circa 2.900 chilometri di distanza-meno di tre giorni di auto, se fosse possibile-si trova nella struttura più drammatica delle Terre. In gran parte ignorata nelle ricerche passate, la regione remota tra il mantello più basso e il nucleo superiore si sta dimostrando cruciale nella comprensione dell’evoluzione chimica e termica del pianeta. Non più considerata semplicemente come un contatto che delinea il nucleo esterno di ferro liquido dal mantello roccioso, la regione del nucleo-mantello può effettivamente essere la zona geologicamente più attiva della Terra., Le sue caratteristiche sembrano essere cambiate immensamente durante la storia della Terra, e le sue proprietà fisiche variano da luogo a luogo vicino alla superficie inferiore del mantello. In effetti, i cambiamenti fisici attraverso l’interfaccia tra il nucleo e il mantello sono più pronunciati di quelli attraverso la superficie planetaria che separa aria e roccia.

Si pensa che la forte eterogeneità della regione di confine nucleo-mantello influenzi molti processi geologici su scala globale . La dinamica della zona influisce sulla leggera oscillazione dell’asse di rotazione delle Terre e sulle caratteristiche del campo geomagnetico., Le variazioni nella regione del nucleo-mantello modulano anche la convezione nel mantello terrestre, che è responsabile del movimento dei continenti e delle placche tettoniche.

Il primo indizio che qualcosa di insolito stava succedendo alla profondità in cui il nucleo e mantello si incontrano è venuto a metà degli anni 1930. Vibrazioni generate dai terremoti fornito l’indizio. In gran parte del mantello, la velocità delle onde sismiche aumenta in funzione della profondità. Inoltre, le variazioni laterali nella velocità dell’onda sismica sono solo minori., Si possono interpretare queste caratteristiche nel senso che la Terra diventa “più semplice” rispetto alla profondità–cioè, la composizione e la struttura del pianeta diventano più uniformi. Al contrario, la grande diversità di strutture geologiche e rocce osservate sotto i piedi rivelano la superficie di essere la regione più complicata.

Eppure il comportamento della velocità delle onde sismiche vale solo fino a un certo punto., Alle poche centinaia di chilometri più basse del mantello, poco prima che inizi il nucleo, la velocità media delle onde sismiche non aumenta sensibilmente e cambiamenti più significativi nella velocità appaiono da regione a regione . L’effetto è sottile, pari a solo una differenza di pochi per cento. Eppure per gli standard geologici, questi pochi per cento rappresentano enormi variazioni di struttura, temperatura o entrambi., I primi lavoratori hanno riconosciuto il significato dei cambiamenti dal semplice comportamento nel mantello inferiore sovrastante e di conseguenza chiamato questa regione, che è stata dedotta per essere di circa 200 a 400 chilometri di spessore, lo strato D”.

L’origine del nome dei livelli (pronunciato “dee double prime”) è più storica che poetica. I primi geologi avevano etichettato le parti della Terra profonda con lettere dell’alfabeto, piuttosto che come crosta, mantello e nucleo. Questa forma di identificazione, tuttavia, significava che qualsiasi livello intermedio successivamente scoperto doveva incorporare un simbolo “primo” per distinguerlo., Anche se altri strati sono stati infine rinominati, la D ” nomenclatura ha subito.

Gli investigatori hanno proposto numerose interpretazioni per tenere conto delle proprietà sismiche dello strato D”. Sfortunatamente, c’erano troppe spiegazioni possibili e troppe poche informazioni per consentire una caratterizzazione definitiva dello strato. Una migliore descrizione dello strato D “ha dovuto aspettare fino alle scoperte tecnologiche degli anni’ 80., Quindi, utilizzando array di strumenti di registrazione distribuiti in tutto il mondo, i sismologi potrebbero per la prima volta raccogliere ed elaborare dati sufficienti per ricavare immagini tridimensionali dell’interno della Terra. Hanno usato sismometri che operano principalmente nell’intervallo tra circa uno e 0,0003 hertz, o cicli al secondo. (Queste frequenze acustiche sono molto al di sotto della gamma dell’udito umano, che si estende da circa 20 a 20.000 hertz.) La tomografia sismica viene spesso confrontata con le scansioni tomografiche calcolate utilizzate in medicina., Ma poiché si basa sulle onde sonore, la tomografia sismica è più simile all’imaging ultrasonico fatto durante la gravidanza. Lo svantaggio principale è la sua risoluzione: immagini di caratteristiche più piccole di 2.000 chilometri tendono ad essere spalmato fuori.

Tuttavia, la tomografia sismica ha contribuito a quantificare le proprietà dello strato D”. Ha dimostrato che la regione differisce drasticamente dal mantello sovrastante. Il fatto che la velocità delle onde sismiche sia influenzata su aree di dimensioni continentali mostra che le strutture su larga scala dominano D”., Tuttavia, la tomografia sismica non ha potuto spiegare le cause di questa variabilità nelle proprietà fisiche. Potrebbero esistere grandi strutture chimicamente distinte nella parte inferiore del mantello, proprio come i continenti segnano l’eterogeneità sismica della superficie terrestre? O le eterogeneità sono semplicemente differenze di temperatura su larga scala alla base del mantello?

Leggendo le onde
PER RISPONDERE a queste domande, uno di noi (Lay) ha iniziato nei primi anni 1980 ad implementare un nuovo metodo per esplorare il confine nucleo-mantello., L’idea era di utilizzare calcoli al computer per analizzare tutte le caratteristiche del fronte d’onda sismica osservato, non solo la velocità dell’onda, come nel caso della tomografia sismica. Tale analisi della forma d’onda è un approccio potente perché la tecnica può risolvere strutture piccole come poche decine di chilometri invece di quelle 2.000 chilometri o più di dimensioni. Lo svantaggio è che si può guardare solo a parti limitate del confine nucleo-mantello. Non ci sono abbastanza terremoti o altre fonti di energia sismica per ottenere un quadro globale a un livello così alto di dettaglio.,

Gli studi sulla forma d’onda suggeriscono che le regioni limitrofe all’interno del livello D” possono essere più distinte di quanto si pensasse una volta. Ad esempio, diversi gruppi di ricerca che studiano il confine nucleo-mantello sotto la Siberia settentrionale hanno scoperto che le velocità acustiche variano così radicalmente su brevi distanze che i sismometri ravvicinati hanno registrato sistematicamente diverse forme d’onda. La scoperta può essere spiegata meglio assumendo che l’eterogeneità nelle velocità sismiche sia di grandi dimensioni e si verifichi su distanze inferiori a quelle che possono essere risolte, cioè entro poche decine di chilometri., Gli studi sulla forma d’onda possono anche mappare le differenze di spessore dello strato D”. In molti punti la parte superiore dello strato D” provoca un brusco aumento della velocità dell’onda, un processo che riflette l’energia sismica. Le riflessioni hanno rivelato che lo spessore dello strato D” varia notevolmente. Lo strato può essere così sottile da non essere rilevabile, oppure può estendersi fino a 300 chilometri.

Le velocità di taglio delle onde sismiche con direzioni orizzontali e verticali di vibrazione differiscono all’interno dello strato D”–che non è il caso nel mantello inferiore sovrastante., Questo fatto suggerisce un cambiamento nella struttura della roccia tra la regione D” e il mantello sovrastante. Gli studi sulla forma d’onda hanno inoltre svolto un ruolo importante nel rivelare regioni a bassa velocità su larga scala nello strato D” sotto il Pacifico centrale e l’Africa meridionale. Lianxing Wen della Stony Brook University e Sidao Ni e Donald Helmberger del California Institute of Technology hanno mappato massicce province alla base del mantello composte da materiale apparentemente chimicamente distinto con bassa velocità di taglio ma normale velocità di compressione., Queste regioni sono alla base di regioni a bassa velocità di taglio nel mantello centrale, e geofisici hanno postulato che pennacchi termici possono salire dai margini di queste regioni.

Il gruppo di Stanley M. Flatté all’Università della California a Santa Cruz ha contribuito a confermare la grande variabilità dello strato D”. Durante la metà – alla fine degli anni 1980, Flatté ei suoi colleghi hanno iniziato ad applicare nuovi metodi di analisi delle onde ai segnali ottenuti da onde sismiche che sono stati sparsi nel mantello profondo., Il loro metodo si basa su una descrizione statistica di come le onde si propagano attraverso una sostanza fortemente scattering. Tale materiale sarebbe analogo a nebbia o nuvole. L’approccio di Flatté è quello di osservare come il fronte d’onda di un terremoto cambia forma dopo aver viaggiato attraverso la regione D”. Un terremoto invia inizialmente un’onda liscia, in espansione sferica. Ma mentre quell’onda viene rifratta e dispersa da variazioni nelle caratteristiche sismiche, come le forti eterogeneità vicino al confine nucleo-mantello, il fronte non rimane più liscio. Diventa increspato o ondulato .,

Il trucco per misurare il grado di ondulazione del fronte d’onda è una fitta serie di sismometri. Prendendo osservazioni da una di queste raccolte situata in Norvegia, Flatté ha dimostrato che la regione D” appare piuttosto torbida alle onde sismiche. Deve contenere caratteristiche eterogenee fino a 10 chilometri di lunghezza. Le osservazioni sismologiche indicano quindi che la regione D” è uno strato eterogeneo che varia lateralmente di spessore.

In contrasto con l’oscurità dello strato D”, il confine nucleo-mantello (su cui poggia lo strato D”) appare liscio e nitido. John E., Vidale, ora presso l’Università della California a Los Angeles, e Harley Benz della U. S. Geological Survey hanno splendidamente dimostrato la brusca dell’interfaccia. Hanno usato un vasto numero di stazioni di registrazione sismica che erano state dispiegate negli Stati Uniti occidentali La matrice di sismometri generalmente monitora l’attività sismica regionale, ma Vidale e Benz lo hanno impiegato per trovare onde sismiche che sono rimbalzate dal confine nucleo-mantello. Sorprendentemente, le onde sismiche sono arrivate in modo coerente in più di 900 stazioni nell’array., Questa coerenza implica che il confine nucleo-mantello rappresenta una transizione netta dal mantello al nucleo, almeno per l’area misurata. La transizione improvvisa riflette fino al 50 per cento delle onde sismiche e trasmette il resto. Le analisi delle onde riflesse e trasmesse mostrano che il confine varia in profondità di non più di pochi chilometri.

Il confine nucleo-mantello sembra essere un riflettore tagliente, meno di pochi chilometri di spessore., In alcune regioni, tuttavia, è stato osservato un sottile strato di ultralow-velocity (velocità di taglio ridotte del 15% o forse più) utilizzando onde riflesse o diffratte lungo il confine nucleo-mantello. Helmberger e Edward Garnero dell’Arizona State University hanno rilevato per la prima volta queste patch ultralow-velocity, che hanno le proprietà previste per le regioni parzialmente fuse adiacenti al confine del nucleo-mantello.

Gli studi sulle onde sismiche hanno fatto molto per chiarire lo strato D” e il confine nucleo-mantello., Ma l’inaccessibilità delle regioni ha impedito ai geofisici di comprendere completamente come sono nate strutture così complicate.

Calore e pressione
SE gli STUDI SISMICI non possono violare completamente la lontananza della Terra profonda, perché non portare il nucleo e il mantello in superficie? Questo è esattamente l’approccio adottato da molti ricercatori, tra cui uno di noi (Jeanloz). In particolare, abbiamo cercato di duplicare l’alta pressione e la temperatura esistenti nel mantello profondo e nel nucleo., Una svolta nell’ingegneria ha reso possibile una tale impresa: gli investigatori avevano imparato a comprimere minuscoli campioni tra i punti di due diamanti e a riscaldare il campione utilizzando un raggio laser ad alta potenza. Entro il 1986 le celle di diamante potrebbero generare pressioni maggiori di quelle al centro della Terra.

La durezza del diamante non è l’unica ragione per usare la sostanza come incudine. L’utilità del diamante sta anche nella sua trasparenza. Un raggio laser può essere messo a fuoco direttamente attraverso il diamante per riscaldare il campione a migliaia di gradi Celsius., Inoltre, si può osservare il campione mentre è a pressioni e temperature super alte. Si determina la temperatura del campione misurando la radiazione termica che il campione emette attraverso il diamante. In questo modo, si può quantificare quanto sia diventato” rosso caldo “o” bianco caldo ” il materiale; gli astronomi deducono le temperature superficiali delle stelle per colore allo stesso modo. Utilizzando la cella diamantata riscaldata a laser, possiamo simulare le temperature e le pressioni appropriate al confine nucleo-mantello., Volevamo vedere cosa sarebbe successo quando abbiamo messo la materia che costituisce il nucleo esterno a contatto con i minerali del mantello più basso.

Naturalmente, avevamo bisogno di sapere quali materiali compongono il mantello e il nucleo prima di spremerli insieme. Per determinare i costituenti del mantello, Elise Knittle, lavorando con Jeanloz, ha seguito la ricerca da parte di gruppi presso l’Australian National University, la Carnegie Institution di Washington e altrove., Abbiamo fatto affidamento su precedenti lavori sperimentali, modelli teorici e sul fatto che la pressione nel mantello inferiore supera i 20 gigapascal (200.000 atmosfere).

Da queste informazioni, abbiamo dedotto che una singola fase minerale ad alta pressione deve dominare il mantello più basso. Questo minerale è una forma densa di silicato di magnesio di ferro,o (Mg, Fe) SiO3, un composto robusto e chimicamente semplice che può essere formato solo sotto pressioni superiori a 20 gigapascal. Poiché ha la stessa struttura cristallina del minerale perovskite (CaTiO3), di conseguenza è chiamato perovskite di silicato di magnesio., La roccia del mantello inferiore probabilmente contiene anche piccole quantità di magnesiowüstite – una combinazione di ossido di magnesio (MgO) e wüstite (FeO). Questa composizione è molto diversa dalla natura delle rocce a o vicino alla superficie della Terra. Tali rocce superficiali sono composte da molti minerali diversi e complessi che reagiscono chimicamente e si trasformano in nuovi minerali sotto modesti cambiamenti di pressione o temperatura. La semplicità chimica dedotta del mantello profondo si accorda bene con i dati derivati dalle onde sismiche, che mostrano che è relativamente privo di struttura (ad eccezione dello strato D”)., Questa coerenza ci dà la certezza che stiamo esaminando i minerali appropriati nelle nostre simulazioni di laboratorio.

Recenti esperimenti e calcoli quantomeccanici di diversi gruppi in Giappone e negli Stati Uniti indicano che la perovskite di silicato di magnesio può trasformarsi in una struttura minerale leggermente più densa alle alte pressioni e temperature vicino alla base del mantello. Si prevede che questa transizione si verifichi solo nelle regioni a temperatura più bassa di D”, se si verifica nel livello D”.

Determinare il costituente del nucleo era più semplice., Gli studi sismologici fatti più di 50 anni fa hanno permesso ai geofisici di dedurne la struttura. Il nucleo è costituito da una sostanza fusa che circonda un centro solido. Il fluido è riconosciuto come un metallo specifically in particolare, una lega di ferro. Infatti, la zangolatura del ferro fuso genera Terre campo magnetico.

Dopo aver stabilito i composti coinvolti, Knittle, ora presso l’Università della California a Santa Cruz, ha effettuato una serie di esperimenti in cui il ferro liquido è stato messo in contatto con silicato cristallino perovskite ad alte pressioni., Ha scoperto che la perovskite reagisce vigorosamente con il ferro liquido, anche se queste sostanze si toccano per pochi secondi. La natura della reazione chimica è piuttosto interessante e inaspettata. I prodotti sono una miscela di minerali ossidi elettricamente isolanti sil silicato di magnesio perovskite e stishovite (SiO2) and e leghe metalliche silic siliciuro di ferro (FeSi) più wüstite. Wüstite non era noto per essere in grado di formare una lega metallica a qualsiasi temperatura o pressione., Qualitativamente parlando, wstite può reagire in questo modo perché il suo atomo di ossigeno ad alte pressioni assume gli attributi chimici normalmente attribuiti al suo vicino nella tavola periodica, lo zolfo. I solfuri metallici come il disolfuro di ferro (pirite o oro sciocco) sono ovviamente ben noti.

Gli esperimenti hanno anche dimostrato che il ferro liquido inizia a reagire con le sostanze del mantello a pressioni da 20 a 30 gigapascal. Tali pressioni sono molto inferiori a quelle al confine nucleo-mantello (136 gigapascal)., Pertanto, le reazioni sono probabilmente persistite fin dalla prima storia del pianeta-cioè, quando la Terra si stava sviluppando e il nucleo potrebbe essersi formato a pressioni inferiori a 136 gigapascal. È probabile che tali reazioni chimiche abbiano alterato significativamente il sistema nucleo-mantello. Una notevole quantità di ossigeno è stato probabilmente disegnato in, o legato con, il nucleo metallico nel corso della storia geologica. In sostanza, la roccia del mantello inferiore è stata e si sta lentamente dissolvendo nel metallo liquido del nucleo esterno. Berni J., Alder di Lawrence Livermore National Laboratory ha fatto questo suggerimento più di 25 anni fa. I nostri esperimenti confermano la sua congettura.

In effetti, una delle conseguenze notevoli di questa ipotesi è che offre una semplice spiegazione del perché le proprietà del nucleo sono quasi ma non esattamente quelle del ferro alla pressione e alla temperatura equivalenti. In particolare, la densità del nucleo esterno è di circa il 10% inferiore a quella del ferro puro . Ma come indicato dall’ipotesi di Ontani e dai nostri esperimenti sulle cellule diamantate, il nucleo non può essere completamente di ferro., Un nucleo puramente di ferro sarebbe stato contaminato dalla reazione con la roccia sovrastante nel tempo geologico. Abbastanza plausibilmente, il nucleo non era mai puro ferro. Invece probabilmente conteneva alcuni nichel, zolfo e altri costituenti minori. Meteoriti ricchi di ferro forniscono la base per questa ipotesi. Tali meteoriti, considerati resti parziali dei materiali da cui si è formata la Terra, ospitano molti contaminanti simili. Come il ferro puro, queste leghe ricche di ferro possono reagire chimicamente con composti rocciosi ad alte pressioni e temperature, formando una lega con ossigeno.,

Nucleo incontra mantello
SECONDO i nostri esperimenti, il liquido denso del nucleo esterno deve penetrare nella roccia, probabilmente per azione capillare. Il metallo fuso penetrerebbe lungo i confini tra i grani minerali nella parte inferiore del mantello. Le stime delle forze capillari coinvolte suggeriscono che il liquido del nucleo potrebbe spostarsi verso l’alto di alcune decine o centinaia di metri sopra il limite del nucleo-mantello. La reazione tra il liquido del nucleo e la roccia del mantello avviene probabilmente in meno di un milione di anni-istantaneamente, in termini geologici.,

Il liquido, tuttavia, non deve necessariamente sempre muoversi verso l’alto e lavorare contro la gravità. L’interfaccia tra il mantello e il nucleo non è probabile che sia perfettamente piatta. Il liquido metallico permea lateralmente e verso il basso nella roccia del mantello dalle regioni in cui il limite del nucleo-mantello è elevato. Le misurazioni da studi geodetici e sismologici indicano che la topografia del confine nucleo-mantello devia dalla planarità assoluta di centinaia di metri a pochi chilometri., Pertanto, la zona di permeazione e reazione chimica diretta tra il liquido del nucleo e la roccia del mantello non è più spessa di centinaia o al massimo migliaia di metri. La stima delle dimensioni spiega perché qualsiasi zona di reazione al confine nucleo-mantello è difficile da rilevare. Lo spessore della zona di reazione è inferiore alle tipiche lunghezze d’onda sismiche. Inoltre, non più di una modesta frazione della zona di reazione è costituita da liquido in un dato momento., Pertanto, rilevare la presenza di una piccola quantità di liquido in una regione sottile richiede un’analisi molto dettagliata delle onde che rilevano la struttura nel mantello più basso.

In che modo queste reazioni chimiche al confine nucleo-mantello rappresentano le caratteristiche osservate dello strato D”? La risposta sta in un processo complesso e indiretto derivante da forze che agiscono sull’interfaccia core-mantle. Le forze provengono dall’energia termica del nucleo sottostante, che riscalda la roccia alla base del mantello., Di conseguenza, la parte riscaldata del mantello si muove verso l’alto per un periodo da decine a centinaia di milioni di anni-molto più lungo della reazione tra il nucleo e il mantello, che avviene in meno di un milione di anni. La convezione deve interrompere la zona di reazione al confine nucleo-mantello, trascinandola verso l’alto ed esponendo la roccia fresca del mantello al liquido corrosivo del nucleo. La convezione è la stessa forza che fa muovere le placche tettoniche sulla superficie terrestre.,

La convezione del mantello non trascina i liquidi molto lontano; qualsiasi metallo liquido che potrebbe essere presente nel confine probabilmente scorre, spugnoso, attraverso la roccia porosa prima di spostarsi verso l’alto. D’altra parte, i prodotti cristallini ricchi di ferro della zona di reazione, come la wstite, sono facilmente incorporati nel flusso del mantello. La lenta convezione del mantello tira la lega cristallina una distanza modesta prima che la densità dei solidi metallici li induce a sprofondare verso il fondo., Questi solidi assomigliano essenzialmente alla feccia di spezie che rimangono sul fondo di una pentola di vin brulè.

Di conseguenza, le sostanze ricche di leghe tenderebbero ad accumularsi sul fondo del mantello, specialmente vicino alle regioni di upwelling, tanto quanto i cumuli di neve si formano in una bufera di neve. La dispersione verso l’alto favorisce l’infiltrazione di materiale dal nucleo e costruisce una zona più spessa di mescolanza; l’mescolanza di prodotti di reazione e mantello non reagito causa l’eterogeneità sismica., Al contrario, le regioni di downwelling disperderebbero la feccia e quindi tenderebbero a assottigliare lo strato D ” e deprimere il confine nucleo-mantello. Modellazione da Louise Kellogg della University of California a Davis e Norman H. Sonno della Stanford University e altri suggerisce che le leghe metalliche nelle regioni locali della zona di reazione possono essere spazzati verso l’alto diverse centinaia di chilometri nel mantello. Il processo richiederebbe alcune decine di milioni di anni.

L’accumulo delle derive ricche di leghe sul fondo del mantello risolve un importante mistero., In particolare, le derive spiegherebbero la variazione di spessore dello strato D ” osservato dai sismologi. Inoltre, i calcoli indicano che l’altezza della deriva della lega trascinata nel mantello è paragonabile alle parti più spesse di D”. Dati i miliardi di anni per l’accumulo progressivo della feccia metallica, è plausibile che gran parte della complessità e molte delle variazioni di spessore di D” derivano dal modo in cui il flusso del mantello modula lo strato di reazione ricco di lega. Il flusso potrebbe anche aver catturato nella sua scia altro materiale denso del mantello o prodotti dal nucleo., Sospettiamo che la feccia di reazione possa raccogliere, anche se in misura minore, sul lato interno del confine nucleo-mantello. Una versione più sottile dello strato D ” probabilmente esiste lì, appena dentro il nucleo esterno liquido.

In considerazione delle intense dinamiche che si svolgono 2.900 chilometri sotto la superficie terrestre, non dovrebbe sorprendere che le forze nel sistema nucleo-mantello possano far sentire la loro presenza in tutta la Terra nel suo complesso. In effetti, i lavoratori hanno trovato prove allettanti che suggeriscono che la zona nucleo-mantello influenza fortemente due caratteristiche osservabili in superficie., Sono l’oscillazione nella rotazione terrestre, nota come nutazioni, e il campo geomagnetico.

Bruce A. Buffett, ora all’Università di Chicago, ha concluso che il confine nucleo-mantello influenza le nutazioni della Terra. Lo ha fatto dopo aver fatto calcoli estremamente accurati dell’oscillazione. I lavoratori hanno misurato l’oscillazione usando un’interferometria di base molto lunga. I radioastronomi spesso si affidano a questa tecnica per effettuare misurazioni altamente precise di oggetti stellari. Varie forze di marea era stato pensato per essere l’unico responsabile per Terre nutations., Tali meccanismi includono l’attrito generato quando la superficie solida della Terra sfrega contro l’atmosfera e gli oceani, nonché le interazioni gravitazionali con il sole e la luna. Buffett scoprì, tuttavia, una componente delle nutazioni che non poteva essere spiegata dalle forze di marea. Motivato dai risultati delle cellule del diamante, ha considerato la possibilità che una zona di reazione sottile al limite del nucleo-mantello possa offrire una spiegazione per la componente di nutazione anomala.,

Ha dimostrato che un tale strato di reazione può facilmente spiegare il segnale di nutazione se lo strato contiene materiale conduttore elettricamente, come dedotto dagli esperimenti. Le linee del campo magnetico che emanano dal nucleo indurrebbero piccole correnti elettriche a fluire nella miscela di conduzione. Queste correnti a loro volta producono i propri campi magnetici. I piccoli campi magnetici interagiscono con le principali linee di campo geomagnetico, tanto quanto i poli di un magnete possono attrarre o respingere. In sostanza, il nucleo e il mantello si comportano come due magneti che si spingono l’uno contro l’altro., Questo accoppiamento influisce sulle nutazioni. I dati di interferometria di base sono ben spiegati se si invoca una zona di reazione eterogenea che contiene metallo ed è spessa poche centinaia di metri.

In effetti, i nostri esperimenti prevedevano proprio una tale configurazione per la zona di reazione. Si prevede che i prodotti della reazione nella parte inferiore del mantello siano costituiti da poche decine di percento di leghe a conduzione elettrica, come siliciuro di ferro e wstite. Una zona composta da solo 15 a 20 per cento della lega sarebbe sufficiente per tenere conto delle nutazioni., Quindi, la nostra conclusione che la zona di reazione sarebbe spessa centinaia di metri e fluttuerebbe in spessore e conduttività lungo il confine nucleo-mantello si accorda bene con l’ipotesi di Buffetts.

Il secondo effetto di superficie osservabile che la regione nucleo-mantello influenza è il campo magnetico terrestre. L’origine del campo geomagnetico principale è ben compresa, almeno in termini generali. Un effetto dinamo, piuttosto che il magnetismo convenzionale del ferro nel nucleo, produce il campo geomagnetico. (Il ferro non è più magnetico né alle pressioni né alle temperature esistenti nel nucleo.,) La zangolatura del nucleo esterno del metallo liquido crea correnti elettriche, analoghe a un filo mosso attraverso un campo elettrico. Come un filo che trasporta una corrente, il nucleo genera quindi un campo magnetico attorno a sé.

La convezione alimenta il movimento del nucleo esterno fuso. Il liquido caldo dal profondo sale verso la parte superiore più fredda del nucleo. Il movimento trasferisce il calore verso l’alto e provoca un flusso convettivo. Il liquido più fresco vicino al confine del nucleo-mantello affonda verso il basso e quindi aiuta anche ad alimentare la convezione., Sono possibili ulteriori fonti di convezione, come la separazione interna di solidi e liquidi nel nucleo esterno. In questo modo, l’energia meccanica della convezione-flusso di fluido nel nucleo esterno-viene convertita in energia magnetica.

Campo di inversione
I PRINCIPI che governano questo processo sono chiamati magnetoidrodinamica-una combinazione di idrodinamica, o la fisica del flusso del fluido, e elettromagnetismo. Le equazioni matematiche alla base del processo, tuttavia, sono così complicate che nessuno è stato in grado di risolverle in completa generalità., Di conseguenza, le soluzioni ottenute si basano su ipotesi fisicamente plausibili ma notevolmente semplificate. Le soluzioni ottenute da queste ipotesi non spiegano necessariamente i piccoli ma osservabili dettagli del campo magnetico terrestre, come le leggere increspature nell’intensità del campo. Forse la discrepanza deriva da una delle semplificazioni tradizionali utilizzate nel calcolo: che il nucleo metallico è circondato da una regione elettricamente isolante, corrispondente al mantello., I geofisici stanno ora riconoscendo che il mantello più basso non è completamente isolante ma è costituito da una miscela di leghe metalliche e silicati isolanti.

Motivato da queste informazioni, Friedrich H. Busse dell’Università di Bayreuth in Germania ha riesaminato le equazioni magnetoidrodinamiche. Ha scoperto una nuova classe di soluzioni matematiche al problema dinamo che derivano direttamente dalle variazioni di conducibilità elettrica nel mantello più basso. Le soluzioni dipendono da due fattori principali., Uno è che le linee di campo geomagnetico sono essenzialmente “congelate” nel metallo liquido del nucleo esterno. Quindi, bloccate in posizione, le linee di campo si muovono solo con il flusso convettivo del nucleo esterno del liquido. Il secondo fattore è che le regioni metalliche incorporate nello strato D interferiscono con il movimento orizzontale delle linee del campo magnetico che emana dal nucleo. Il livello D ” può quindi deviare o impilare insieme le linee di campo dal nucleo. Entrambi i fattori, secondo i calcoli di Busses, creerebbero campi magnetici locali nella parte inferiore del mantello., I campi spiegherebbero diverse complessità del campo geomagnetico, comprese le increspature osservate nell’intensità del campo.

Le caratteristiche elettromagnetiche del confine nucleo-mantello possono influenzare le inversioni del campo magnetico terrestre . Durante le inversioni, che si verificano ogni pochi 100.000 anni, i poli magnetici sembrano seguire una traiettoria preferita. Tale preferenza è particolarmente evidente per le più recenti inversioni nella storia della Terra. Alla fine degli anni S., Keith Runcorn dell “Imperial College di Londra e l” Università di AlaskaFairbanks postulato diversi meccanismi con cui le variazioni elettriche del D ” strato potrebbe influenzare il percorso dei poli magnetici.

In un certo senso, quindi, le dinamiche tra il nucleo e il mantello si estendono oltre la Terra, estendendosi bene nello spazio attraverso il campo geomagnetico. Ora riconosciamo l’importanza planetaria dell’interfaccia nucleo-mantello, e la tecnologia migliorata è certa di chiarire come questa regione remota modella l’evoluzione della Terra.,

L’AUTORE
RAYMOND JEANLOZ e THORNE LAY studiano la fisica della Terra profonda. Jeanloz, professore di scienze della terra e planetarie e di astronomia presso l’Università della California, Berkeley, ha ricevuto il suo Ph. D. nel 1979 dal California Institute of Technology. Un Mac-Arthur Fellow, Jeanloz studia anche l’evoluzione interna di altri pianeti terrestri e la formazione di nuovi tipi di vetro che hanno nuove proprietà. Lay è professore di scienze della terra presso l’Università della California, Santa Cruz, dove è anche direttore dell’Istituto di Geofisica e Fisica Planetaria., La sua specialità è lo studio dei terremoti e la struttura delle Terre interne. Un destinatario della American Geophysical Unions 1991 Macelwane Medal, Lay ha conseguito il dottorato di ricerca nel 1983 da Caltech.