Interfacial-energy-driven ferropericlase rounding leads to bridgmanite-controlled viscosity in the Earth’s lower mantle
L'evidenza sperimentale che mostra come l'arrotondamento dei grani di ferropericlasi guidato dall'energia interfacciale avvenga più velocemente dell'allungamento indotto dal flusso del mantello indica che la viscosità del mantello inferiore è controllata dalla fase più forte della bridgmanite, rendendola di ordini di grandezza superiore rispetto a quanto ipotizzato in precedenza.
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Molto sotto i nostri piedi, ben oltre la portata di qualsiasi trivella, si trova il mantello inferiore della Terra. È un vasto oceano di roccia sovrariscaldata che scorre incredibilmente lentamente nel corso di milioni di anni, agendo come il motore interno del pianeta. Questo rimescolamento a rallentatore sposta il calore dal nucleo alla superficie e trascina le placche tettoniche, modellando i nostri continenti e alimentando i vulcani. Per capire come funziona questo motore, gli scienziati devono sapere quanto sia "spessa" o "appiccicosa" questa roccia — una proprietà chiamata viscosità. Se la roccia è molto densa, resiste al movimento; se è sottile, scorre facilmente. Il mantello inferiore è composto principalmente da due minerali: uno duro e rigido chiamato bridgmanite e uno più tenero e debole chiamato ferropericlasi. Per molto tempo, gli scienziati hanno dibattuto se l'intero sistema scorra come il minerale rigido o se il minerale tenero crei autostrade deboli e scivolose che permettano a tutto il sistema di scivolare via facilmente. Questa domanda è importante perché la risposta cambia il modo in cui immaginiamo la storia della Terra, la velocità con cui il calore sfugge e il motivo per cui alcune placche tettoniche smettono di affondare mentre altre si tuffano fino al nucleo.
Un team di ricercatori ha ora esaminato nuovamente questo dibattito studiando come si comporta il minerale tenero quando viene stirato. Immaginate di avere una massa di caramella mou (il minerale tenero) intrappolata all'interno di un blocco di argilla dura e rigida (il minerale rigido). Se tirate l'argilla, la caramella si allunga in lunghi e sottili filamenti. In passato, gli scienziati pensavano che, nel corso della lunga storia della Terra, questi filamenti si sarebbero allungati così tanto da connettersi e formare una rete continua e scivolosa, facendo scorrere l'intera roccia molto più velocemente. Tuttavia, questo nuovo studio suggerisce che la natura possieda un meccanismo di "autocorrezione" integrato. Proprio come un elastico teso vuole tornare alla sua forma originale o una goccia d'acqua vuole diventare una sfera perfetta per risparmiare energia, la caramella tesa vuole riavvolgersi in una pallina rotonda. I ricercatori hanno scoperto che questo "arrotondamento" avviene così velocemente che la caramella non ha mai la possibilità di formare quelle lunghe e scivolose autostrade. Inveve, la roccia rimane rigida, controllata dall'argilla dura, non dalla caramella tenera.
Il team, guidato da Amrita Chakraborti e colleghi, ha testato questa idea creando piccoli campioni di questi due minerali in una macchina ad alta pressione che imita il peso schiacciante e il calore torrido del profondo della Terra (27 gigapascal e temperature fino a 2000 Kelvin). Hanno prima schiacciato i campioni per stirare i grani di ferropericlasi in forme lunghe e sottili, proprio come farebbe il flusso della Terra nel corso di milioni di anni. Successivamente, hanno mantenuto i campioni ad alto calore e alta pressione per vedere cosa sarebbe successo dopo. Hanno osservato attentamente per vedere se i grani stirati rimanevano lunghi o se si riavvolgevano in forme tonde.
I risultati sono stati chiari: i grani stirati si sono arrotondati incredibilmente velocemente. I ricercatori hanno misurato quanto velocemente avvenisse l' "arrotondamento" rispetto alla velocità con cui il flusso della Terra li starebbe stirando. Hanno scoperto che, anche utilizzando stime molto conservative, il processo di arrotondamento è molto più veloce del processo di stiramento. Nel momento in cui i grani avrebbero potuto allungarsi abbastanza da connettersi e formare uno strato debole, si erano già riavvolti in forme quasi perfettamente sferiche. Infatti, i grani avevano solo bisogno di allungarsi di un pochino — circa l'1% più lunghi della loro larghezza — prima che la forza di arrotondamento prendesse il sopravvento e impedisse loro di allungarsi ulteriormente.
Questa scoperta suggerisce che il modello dello "Strato Debole Interconnesso", che prevede che il mantello inferiore sia molto più debole e scorra più velocemente, sia probabilmente errato. Al contrario, lo studio sostiene il modello del "Framework Portante", in cui la bridgmanite rigida mantiene insieme la struttura e controlla il flusso. Gli autori suggeriscono che, poiché i grani teneri non possono rimanere stirati, la viscosità effettiva del mantello inferiore è probabilmente molto più alta di quanto ipotizzato in precedenza, avvicinandosi a quella della bridgmanite rigida. Ciò implica che il mantello inferiore della Terra sia un ambiente molto più pigro e resistente rispetto a quanto proposto da alcune teorie precedenti. Sebbene i ricercatori sottolineino che devono ancora confermare come la pressione influenzi questo arrotondamento a livelli ancora più profondi, i loro esperimenti forniscono una forte prova che l'energia superficiale agisca come un potente freno, impedendo ai minerali teneri di creare le scorciatoie scivolose che accelererebbero il motore interno della Terra.
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