La un moment dat în istoria Pământului de 4,5 miliarde de ani, nucleul de fier lichid al planetei s-a răcit suficient de mult pentru a forma o bilă solidă.

În prezent, nucleul planetei noastre constă dintr-un nucleu interior din fier solid, înconjurat de un nucleu exterior din fier topit.

Stabilirea momentului când s-a produs această schimbare s-a dovedit dificilă pentru oamenii de ştiinţă. Estimările variază de la 4,5 miliarde de ani în urmă, care este vârsta estimată a Pământului, până la 565 de milioane de ani în urmă.

Conform unui studiu recent, vârsta nucleului interior al Pământului ar trebui să fie cuprinsă între 1 miliard și 1,3 miliarde de ani. Această estimare se bazează pe datelor obținute în experimentele de laborator care creează condiții care se apropie de cele din nucleul planetar.

Câmpul magnetic terestru este generat prin rotirea miezului de fier lichid din centrul planetei (efect cunoscut sub numele de “dinam”).

Nucleul interior solid al Pământului

Nucleul interior solid al Pământului. Credit: NASA

Acest studiu ne-ar putea ajuta să estimăm mai exact vârsta “dinamului” care generează câmpul magnetic din jurul Pământului. Acest câmp magnetic contribuie la condițiile ospitaliere pentru viață care există pe Pământ, protejând atmosfera planetei de efectul distructiv al vântului solar.

În consecinţă, nu este o surpriză faptul că oamenii de știință sunt interesați de modul cum s-a format nucleul exterior al planetei și de modul cum funcţionează “dinamul” planetar.

„Oamenii de ştiinţă sunt cu adevărat curioși și entuziasmați să cunoască originea efectului de dinam şi puterea câmpului magnetic al Pământului, deoarece contribuie la existenta condiţiilor propice vieţii de pe Pământ”, a declarat geologul Jung-Fu Lin de la Universitatea din Texas, SUA.

Efectul de dinam este generat de circulația fierului din nucleul exterior al planetei, acest proces fiind produs la rândul său, prin convecţie, ca urmare a două mecanisme.

În primul rând, există convecția termică, care este generată de fluctuațiile de temperatură. Acest fenomen poate apărea într-un nucleu complet lichid. În al doilea rând, există o convecție în care elementele chimice mai ușoare, care sunt eliberate la frontiera nucleului interior se ridică prin nucleul lichid exterior, creând mișcare.

În ambele cazuri se generează curenți electrici care încarcă electric nucleul, transformându-l practic într-un electromagnet uriaș. Rezultă astfel un câmp magnetic.

În prezent, ambele tipuri de convecție sunt prezente în nucleul Pământului, contribuind, în mod egal, la producerea efectului de dinam.

Înainte ca nucleul solid să cristalizeze, în nucleul Pământului era posibilă doar convecția termică care putea genera efectul de dinam. Cu toate acestea, pentru a-l menține timp de miliarde de ani, așa cum este necesar în cazul unor estimări ale vârstei miezului interior al Pământului, fierul ar fi trebuit să fie extrem de fierbinte, într-un mod nerealist.

Pentru a transmite și a menține astfel de temperaturi, conductivitatea termică a fierului, adică capacitatea de a transmite eficient căldura, trebuie să fie ridicată. În consecinţă, cercetătorii au studiat conductivitatea termică a fierului la presiuni și temperaturi apropiate de cele din nucleul planetei.

Pentru aceasta, cercetătorii au încălzit cu ajutorul laserelor un eşantion de fier pe care l-au zdrobit-o într-un dispozitiv special de tipul ”celula cu nicovale de diamant”. A fost nevoie de numeroase încercări timp de peste doi ani.

Într-un final, cercetătorii au reușit să măsoare conductivitatea electrică și termică a eșantionului de fier supus la o presiune de 170 gigapascali (adică de 1,7 milioane de ori mai mare decât presiunea atmosferică la nivelul mării) și la o temperatură de 3.000 K.

Presiunile din nucleul exterior al Pământului variază între 135 și 330 de gigapascali, de la limita nucleului exterior până la limita nucleului interior, în timp ce temperaturile variază de la 4.000 K la 5.000 Kelvin.

Chiar dacă temperatura nucleului interior al Pământului poate depăși 6.000 K, fierul se solidifică supus la o presiune mare.

Atunci când cercetătorii au măsurat conductivitatea eșantionului, au constatat că aceasta este cu 30 până la 50 la sută mai mică decât cea necesară pe baza estimării vârstei nucleului interior de 565 de milioane de ani.

Prin urmare, cercetătorii au putut stabili o limită superioară pentru conductivitatea termică a fierului lichid în condițiile din nucleul interior, care, la rândul său, a stabilit o limită superioară a cantității de căldură care poate fi transmisă și reținută.

„Dacă ştim câtă căldură circulă de la nucleul exterior la mantaua inferioară, putem estima momentul în care Pământul s-a răcit suficient de mult pentru ca nucleul interior să înceapă să cristalizeze”, a declarat Lin.

Noua estimare a cercetătorilor privind vârsta nucleului interior al Pământului coincide, în mod interesant, cu o schimbare a câmpului magnetic al Pământului.

Aranjarea materialelor magnetice în roci care datează din urmă cu 1-1,5 miliarde de ani arată că a existat o creștere a intensității câmpului magnetic al Pământului în această perioadă, așa cum ar fi de așteptat în momentul în care nucleul interior a început să cristalizeze.

Cu toate acestea, o creștere similară a intensității câmpului magnetic al Pământului a fost observată și în urmă cu 565 milioane de ani. Dacă nucleul interior s-a cristalizat mai devreme, aceasta înseamnă că indiferent ce s-a întâmplat cu Pământul în urmă cu 565 de milioane de ani rămâne un mister.

„Sunt necesare cercetări suplimentare în ştiinţa mineralelor, geodinamică și paleomagnetism pentru a rezolva această discrepanță”, au scris cercetătorii.

Cercetarea a fost publicată în Physical Review Letters.

Sursă: Science Alert