First-Principles Calculation of FE1-X SX Liquid Alloys at Conditions of Earth’s Outer Core
Questo studio utilizza calcoli dai primi principi per caratterizzare le proprietà strutturali, dinamiche e termodinamiche delle leghe liquide di Fe-S nelle condizioni del nucleo esterno della Terra, rivelando che, sebbene concentrazioni di zolfo tra il 10,2 e l'11,4 % in peso possano spiegare la densità del nucleo, esse non riescono a giustificare la velocità del suono, indicando così che lo zolfo da solo non può essere l'unico elemento leggero presente.
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Profondamente sotto i nostri piedi, nascosto alla vista diretta, giace un oceano di metallo in tumulto che guida il campo magnetico terrestre e modella il calore interno del pianeta. Questo è il nucleo esterno, uno strato di ferro liquido che si estende dal confine con il nucleo interno solido fino al mantello sovrastante. Sebbene non possiamo perforare questa regione, i sismologi possono ascoltare le vibrazioni della Terra mentre viaggiano attraverso di essa, proprio come un medico usa le onde sonore per vedere all'interno di un corpo. Queste misurazioni rivelano che il nucleo liquido è meno denso di quanto lo sarebbe il ferro puro a quelle profondità schiaccianti, suggerendo che sia mescolato con elementi più leggeri. Per decenni, gli scienziati hanno dibattuto su quale di questi elementi più leggeri — forse ossigeno, silicio o zolfo — sia l'ingrediente principale in questa zuppa cosmica. Comprendere la ricetta esatta è fondamentale perché la densità e la velocità del suono attraverso il nucleo ci dicono come la Terra generi il suo scudo magnetico e come si sia raffreddata nel corso di miliardi di anni.
Un team di ricercatori si è ora rivolto a potenti simulazioni informatiche per risolvere un pezzo di questo puzzle, concentrandosi specificamente sullo zolfo. Utilizzando un metodo che calcola il comportamento degli atomi partendo dalle leggi fondamentali della fisica, hanno modellato il ferro liquido mescolato con varie quantità di zolfo sotto le condizioni estreme di pressione e temperatura presenti nel nucleo esterno. Invece di affidarsi a esperimenti fisici, che sono incredibilmente difficili da eseguire a tali profondità, hanno costruito un laboratorio virtuale dove potevano osservare come gli atomi di ferro e zolfo si muovessero, si legassero e interagissero. Hanno testato miscele che andavano dal ferro puro fino a quasi il quindici per cento di zolfo in peso, osservando come questi cambiamenti influenzassero la densità del materiale e la velocità con cui il suono viaggia al suo interno.
Le simulazioni hanno rivelato che, man mano che lo zolfo viene aggiunto al ferro liquido, gli atomi si riorganizzano. Gli atomi di zolfo, essendo più piccoli e leggeri, formano legami più stretti con il ferro, avvicinando la distanza media tra gli atomi. Questo cambiamento strutturale ha un effetto chiaro sulle proprietà del materiale: la densità della miscela diminuisce, mentre la velocità con cui il suono viaggia attraverso di essa aumenta. I ricercatori hanno scoperto che la pressione gioca un ruolo molto più importante nel cambiare queste proprietà rispetto alla quantità di zolfo, ma il contenuto di zolfo lascia comunque un'impronta distinta. Confrontando i loro risultati simulati con i dati sismici reali del nucleo terrestre, sono stati in grado di restringere il campo sulla possibile quantità di zolfo presente.
Lo studio suggerisce che se lo zolfo fosse l'unico elemento leggero mescolato nel nucleo, dovrebbe costituire circa il dieci o l'undici per cento della lega in peso per corrispondere alla densità osservata. Questa concentrazione specifica si adatta alle misurazioni sismiche su quanto sia pesante il nucleo. Tuttavia, un problema significativo sorge quando i ricercatori esaminano la velocità del suono. Alla stessa concentrazione di zolfo, le onde sonore simulate viaggiano troppo velocemente rispetto a quanto misurato effettivamente dai sismologi nella Terra. I modelli indicano che, per corrispondere alla velocità del suono, il nucleo dovrebbe contenere molto meno zolfo, forse meno del nove per cento, ma tale quantità non riuscirebbe a spiegare la densità del nucleo.
Questa discrepanza tra la densità e la velocità del suono porta a una conclusione chiara: lo zolfo da solo non può spiegare la composizione del nucleo esterno della Terra. I dati implicano che un altro elemento leggero, invisibile, debba essere presente insieme allo zolfo per bilanciare le equazioni. Il lavoro dei ricercatori fornisce un riferimento preciso e autoconsistente su come il ferro e lo zolfo si comportino insieme in queste condizioni estreme, servendo come base solida per studi futuri che dovranno probabilmente includere un terzo o anche un quarto elemento per risolvere completamente il mistero del cuore nascosto della Terra. Le loro scoperte confermano che, sebbene lo zolfo sia un candidato probabile, la vera ricetta del nucleo del nostro pianeta è più complessa di una semplice miscela a due ingredienti.
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