Descubrimiento del rápido «movimiento de masas» de los átomos de hierro en el núcleo interno sólido de la Tierra

Un nuevo estudio ha descubierto un rápido «movimiento de masas» de átomos de hierro en el núcleo interno de la Tierra. Este movimiento puede explicar la inesperada debilidad del núcleo en los datos sísmicos y tiene implicaciones para comprender la generación del campo magnético de la Tierra.

Los átomos de hierro que forman el núcleo interno sólido de la Tierra están apretados por presiones astronómicamente altas, las más altas del planeta.

Pero incluso en este caso, los investigadores descubrieron que hay margen de maniobra.

Un estudio realizado por la Universidad de Texas en Austin y colaboradores en China encontró que ciertos grupos de átomos de hierro en el núcleo interno de la Tierra son capaces de moverse rápidamente, cambiando de lugar en una fracción de segundo mientras mantienen la estructura metálica básica del hierro. Un tipo de movimiento conocido como “movimiento de masas” que se asemeja a que los invitados a una cena cambian de asiento en la mesa.

Un modelo de átomos de hierro que se mueven en el núcleo interno de la Tierra. El modelo muestra cómo se espera que los átomos de hierro en el núcleo interno de la Tierra se muevan en 10 picosegundos. Un picosegundo es una billonésima de segundo. Crédito: Zhang et al.

Efectos del campo magnético de la Tierra

Los resultados, obtenidos mediante experimentos de laboratorio y modelos teóricos, indican que los átomos en el núcleo interno se mueven mucho más de lo que se pensaba anteriormente.

Los resultados podrían ayudar a explicar varias propiedades interesantes del núcleo interno que han desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. También podrían ayudar a arrojar luz sobre el papel que desempeña el núcleo interno en el impulso de la geodinamo de la Tierra, el elusivo proceso que genera el campo magnético del planeta.

«Ahora conocemos el mecanismo básico que nos ayudará a comprender los procesos dinámicos y la evolución del núcleo interno de la Tierra», dijo Jong-Fu Lin, profesor de la Escuela de Geociencias Jackson de UT y uno de los autores principales del estudio.

El estudio fue publicado el 2 de octubre en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Un clip de un modelo científico que muestra cómo se espera que los átomos de hierro en el núcleo interno de la Tierra se muevan en 10 picosegundos. Las líneas representan un camino. maíz También se mueve con el tiempo. El modelo se basa en un algoritmo de inteligencia artificial que representa decenas de miles de átomos. Un picosegundo es una billonésima de segundo. Crédito: Zhang et al.

Métodos y resultados

A los científicos les resulta imposible tomar muestras directas del núcleo interno de la Tierra debido a las temperaturas y presiones extremadamente altas. Entonces, Lin y sus colaboradores lo recrearon en miniatura en el laboratorio tomando una pequeña placa de hierro y disparándola con un proyectil que se movía rápidamente. Los datos de temperatura, presión y velocidad recopilados durante el experimento se colocaron en un modelo informático de aprendizaje automático de los átomos del núcleo interno.

Los científicos creen que los átomos de hierro del núcleo interno están dispuestos en una configuración hexagonal repetitiva. Según Lin, la mayoría de los modelos informáticos que representan la dinámica reticular del hierro en el núcleo interno muestran sólo un pequeño número de átomos, normalmente menos de cien. Pero utilizando un algoritmo de inteligencia artificial, los investigadores pudieron mejorar significativamente el entorno atómico, creando una «supercélula» compuesta por unos 30.000 átomos para predecir de forma más fiable las propiedades del hierro.

A esta escala de supercélula, los científicos observaron grupos de átomos moviéndose y cambiando de lugar mientras mantenían la estructura hexagonal general.

El coautor principal, Jong Fu «Avo» Lin, sostiene un modelo de átomos de hierro dispuestos en una estructura hexagonal que se cree que se encuentra en el núcleo interno de la Tierra. Crédito: Jong-Fu Lin/UT Jackson College of Geosciences

El movimiento atómico explica las mediciones sísmicas

Los investigadores dijeron que el movimiento atómico podría explicar por qué las mediciones sísmicas del núcleo interno muestran un ambiente más suave y flexible de lo que se esperaría a tales presiones, dijo el coautor Yujun Zhang, profesor de la Universidad de Sichuan.

«Los sismólogos han descubierto que el centro de la Tierra, llamado núcleo interno, es sorprendentemente suave, un poco como lo blanda que es la mantequilla en la cocina», dijo. «Nuestro gran descubrimiento es que el hierro sólido se vuelve sorprendentemente blando en las profundidades del subsuelo porque sus átomos pueden moverse mucho más de lo que jamás imaginamos. Este mayor movimiento hace que el núcleo interno sea menos rígido y más débil frente a las fuerzas de corte.

Los investigadores dijeron que la búsqueda de una respuesta para explicar las propiedades físicas «sorprendentemente suaves» reflejadas en los datos sísmicos es lo que motivó su investigación.

Papel en la energía geodinamo de la Tierra

Según los investigadores, aproximadamente la mitad de la energía de la geodinamo que genera el campo magnético de la Tierra puede atribuirse al núcleo interno, mientras que el núcleo externo constituye el resto. Nuevos conocimientos sobre la actividad del núcleo interno a nivel atómico podrían ayudar a informar futuras investigaciones sobre cómo se generan la energía y el calor en el núcleo interno, cómo se relacionan con la dinámica del núcleo externo y cómo trabajan juntos para generar el campo magnético del planeta. Este es el ingrediente clave para un planeta habitable.

Referencia: “Movimiento colectivo en hcp-Fe en las condiciones del núcleo interior de la Tierra” por Youjun Zhang, Yong Wang, Yuqian Huang, Junjie Wang, Zhixin Liang, Long Hao, Zhipeng Gao, Jun Li, Qiang Wu, Hong Zhang, Yun Liu, Jian . Sun y Gong Fu Lin, 2 de octubre de 2023, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
doi: 10.1073/pnas.2309952120

El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Programa de Geofísica de la Fundación Nacional de Ciencias.