Gli echi sismici hanno rivelato una sorprendente “ciambella” all’interno del nucleo terrestre

È una vasta regione, probabilmente ricca di elementi leggeri, a rallentare la propagazione delle onde sismiche all’interno del nostro pianeta. Individuata da un nuovo approccio di ricerca, svolge un ruolo fondamentale nella dinamica delle correnti di metallo fuso che generano il campo magnetico terrestre
di Hrvoje Tkalcic/The Conversation
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A circa 2890 chilometri sotto i nostri piedi si trova una gigantesca palla di metallo liquido: il nucleo del nostro pianeta. Gli scienziati come me usano le onde sismiche create dai terremoti come una sorta di ultrasuoni per “vedere” la forma e la struttura del nucleo.

Usando un nuovo modo di studiare queste onde, con il mio collega Xiaolong Ma abbiamo fatto una scoperta sorprendente: c’è una grande regione del nucleo a forma di ciambella intorno all’equatore, spessa qualche centinaio di chilometri, dove le onde sismiche viaggiano circa il due per cento più lentamente rispetto al resto del nucleo.

Riteniamo che questa regione contenga più elementi leggeri come il silicio e l’ossigeno e che possa svolgere un ruolo cruciale nelle vaste correnti di metallo liquido che attraversano il nucleo e che generano il campo magnetico terrestre. I nostri risultati sono stati pubblicati su “Science Advances”.

In “ascolto” dei riverberi
La maggior parte degli studi sulle onde sismiche create dai terremoti si concentra sui grandi fronti d’onda iniziali che viaggiano in tutto il globo nell’ora o poco più successiva al sisma.

Ci siamo resi conto che avremmo potuto imparare qualcosa di nuovo osservando la parte successiva e più debole di queste onde, nota come coda – un termine mutuato dalla musica che indica il termine di un brano. In particolare, abbiamo osservato quanto fossero simili le code registrate da diversi rilevatori sismici, diverse ore dopo il loro inizio.

In termini matematici, questa somiglianza si misura con una grandezza chiamata correlazione. Complessivamente, chiamiamo queste somiglianze nelle parti finali delle onde sismiche “campo d’onda della coda-correlazione” (coda–correlation wavefield).

Osservando il campo d’onda della coda-correlazione, abbiamo rilevato piccoli segnali derivanti da onde multiple riverberanti che altrimenti non avremmo visto. Comprendendo i percorsi di queste onde riverberanti e confrontandoli con i segnali del campo d’onda di coda-correlazione, abbiamo calcolato quanto tempo hanno impiegato per attraversare il pianeta.

Abbiamo quindi confrontato i risultati ottenuti dai rilevatori sismici più vicini ai poli con quelli ottenuti vicino all’equatore. In generale, le onde rilevate più vicine ai poli viaggiavano più velocemente di quelle vicine all’equatore.

Abbiamo sperimentato molti modelli computerizzati e simulazioni di quali condizioni nel nucleo potessero creare questi risultati. Alla fine abbiamo scoperto che nel nucleo esterno intorno all’equatore dev’esserci un toro, una regione a forma di ciambella, dove le onde viaggiano più lentamente.

I sismologi non avevano mai rilevato questa regione prima d’ora. Tuttavia, l’utilizzo del campo d’onda di coda-correlazione ci permette di “vedere” il nucleo esterno in modo più dettagliato e più uniforme.

Studi precedenti avevano concluso che le onde si muovevano più lentamente ovunque intorno al “soffitto” del nucleo esterno. Tuttavia, in questo studio abbiamo dimostrato che la regione a bassa velocità si trova solo vicino all’equatore.

Il nucleo esterno e la geodinamo
Il nucleo esterno della Terra ha un raggio di circa 3480 chilometri, che lo rende leggermente più grande del pianeta Marte. È composto principalmente da ferro e nichel, con alcune tracce di elementi più leggeri come silicio, ossigeno, zolfo, idrogeno e carbonio.

La parte inferiore del nucleo esterno è più calda di quella superiore e la differenza di temperatura fa muovere il metallo liquido come l’acqua in una pentola che bolle sul fuoco. Questo processo è chiamato convezione termica e pensiamo che il movimento costante dovrebbe significare che tutto il materiale nel nucleo esterno è ben miscelato e uniforme.

Ma se il nucleo esterno è pieno dello stesso materiale ovunque, anche le onde sismiche dovrebbero viaggiare alla stessa velocità ovunque. Allora perché queste onde rallentano nella regione a forma di ciambella che abbiamo trovato?

Pensiamo che in questa regione ci sia una maggiore concentrazione di elementi leggeri. Questi potrebbero essere rilasciati dal nucleo interno solido della Terra nel nucleo esterno, dove la loro galleggiabilità crea una maggiore convezione.

Perché gli elementi leggeri si accumulano maggiormente nella regione equatoriale della ciambella? Gli scienziati ipotizzano che in questa regione viene trasferito più calore dal nucleo esterno al mantello roccioso sovrastante.

Nel nucleo esterno è in atto anche un altro processo di portata planetaria. La rotazione della Terra e il piccolo nucleo interno solido fanno sì che il liquido del nucleo esterno si organizzi in lunghi vortici verticali che corrono in direzione nord-sud, come gigantesche trombe d’acqua.

Il movimento turbolento del metallo liquido in questi vortici crea la “geodinamo” responsabile della creazione e del mantenimento del campo magnetico terrestre. Questo campo magnetico protegge il pianeta dal vento solare e dalle radiazioni nocive, rendendo possibile la vita sulla superficie.

Una visione più dettagliata della composizione del nucleo esterno – compresa la nuova ciambella di elementi più leggeri – ci aiuterà a comprendere meglio il campo magnetico terrestre. In particolare, il modo in cui il campo cambia intensità e direzione nel tempo è fondamentale per la vita sulla Terra e per la potenziale abitabilità di pianeti ed esopianeti.

L’autore
Hrvoje Tkalcic è professore di Geofisica e direttore del Warramunga Array presso l’Australian National University