Il nucleo della Terra
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Struttura interna della
Terra |
Il modo in cui le onde
sismiche si diffondono ci dicono che la Terra ha al suo centro un
denso nucleo fluido,di raggio uguale a circa metà di quello della
Terra, e all'interno di questo, un nucleo solido.
Si ritiene comunemente che
questo nucleo sia fatto di ferro fuso, forse unito a nichel e
zolfo. La densità sembra appropriata, ed il ferro, che tra tutti gli
elementi ha il nucleo più stabile, è abbondante nell'universo.
Esso è concentrato nel nucleo della Terra perché è pesante. L'energia
associata al magnetismo della Terra sembra provenire dai moti fluidi del
nucleo, dal flusso circolante che provvede all'emissione del calore ivi
prodotto.
Gli scienziati non
sono ancora sicuri sulla causa che produce il calore nel nucleo
della Terra.Potrebbe provenire da una parte del ferro che diventa
solido e raggiunge il nucleo più interno, o forse è generato dalla
radioattività, come il calore della crosta terrestre.
Il flusso è molto
lento, e l'energia coinvolta è solo una piccola parte dell'energia
termica racchiusa nel nucleo. Così si pensa che il metallo fuso
sia in movimento.
Muovendosi
attraverso il campo magnetico esistente,
esso crea un sistema di correnti elettriche che si diffondono
attraverso il nucleo, qualcosa di simile alla dinamo a disco di
Faraday.
Le correnti generano
un campo magnetico, una distribuzione di forze magnetiche, e
l'essenza del problema della dinamo che si autoalimenta è trovare
soluzioni tali che il campo magnetico risultante sia anche il
campo richiesto per generare la corrente precedente.
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La
convezione nel nucleo e la dinamo geomagnetica
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Le
registrazioni paleomagnetiche indicano che il campo geomagnetico è
esistito per almeno tre miliardi di anni.
Comunque, in base alle dimensioni ed alla conduttività elettrica del
nucleo della Terra, il campo, se non fosse continuamente rigenerato,
si estinguerebbe in circa 20.000 anni soltanto, poiché la temperatura
del nucleo è a troppo alta per consentire un magnetismo permanente.
Inoltre le registrazioni paleomagnetiche mostrano che le polarità del
campo geomagnetico si sono invertite diverse volte nel passato, al
ritmo medio di circa 200.000 anni tra le inversioni, con eventi
singolari di inversione verificatisi solo dopo circa duemila anni.
Queste
osservazioni conducono all’ipotesi di un meccanismo all’interno
della Terra che genera continuamente il campo magnetico.
Si è a lungo
ipotizzato che questo meccanismo fosse una dinamo convettiva che opera
nel nucleo fluido esterno della Terra,che circonda il suo nucleo
interno solido, entrambi costituiti di ferro.Il nucleo interno solido
è approssimativamente delle dimensioni della Luna ma alla temperatura
della superficie del Sole.
Si ritiene che la convezione nel nucleo fluido esterno sia guidata sia
dalle sorgenti termiche che dalle spinte idrostatiche che
si producono al confine del nucleo interno quando la Terra si
raffredda
leggermente ed il ferro, nella lega fluida ricca di ferro, si
solidifica sul
nucleo interno liberando calore latente ed il costituente leggero
della lega.
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Queste forze
idrostatiche fanno risalire il fluido e le forze di Coriolis, dovute
alla rotazione della Terra, producono un moto elicoidale del
fluido.Presumibilmente questo moto del fluido intreccia e taglia le
linee di campo magnetico, generando un nuovo campo magnetico che va a
sostituire quello che si è disperso.
Finora non esistevano
modelli dinamicamente dettagliati e coerenti che dimostrassero o
spiegassero perché il campo geomagnetico avesse una tale intensità,
una struttura fortemente dipolare con un asse allineato con l’asse
di rotazione della Terra,una struttura di campo non dipolare che varia
in una scala temporale da dieci a cento anni e perché il campo
occasionalmente subisse inversioni dipolari.
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Il modello di Glatzmaier-Roberts
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Rappresentazione delle linee di campo nel
nucleo terrestre
Simulazione dello spostamento delle linee di campo
magnetico secondo il modello di Glatzmaier-Roberts |
Per verificare
l’ipotesi della dinamo convettiva, nel 1995 è stato sviluppato il
primo modello matematico coerente, il modello di Glatzmaier-Roberts,
che
simula la convezione e la produzione di un campo magnetico in un
nucleo
fluido esterno che circonda un nucleo interno fluido con le
dimensioni,la velocità di rotazione, il flusso di calore e (per
quanto possibile) le proprietà dei materiali del nucleo della Terra.
Le equazioni così
ottenute sono state risolte ripetutamente, facendo avanzare la soluzione
dipendente dal tempo di 20 giorni alla volta nel passato, con l’uso
dei potentissimi calcolatori dei Laboratori
Nazionali di Los Alamos e
del Pittsburgh Supercomputing Center che hanno lavorato in parallelo per
circa un anno.
Il campo magnetico così simulato ha una intensità ed una struttura
dominante dipolare che è molto simile a quella della Terra ed una
deriva verso est della struttura non dipolare che è essenzialmente la
stessa di 0,2 gradi/anno misurata sulla Terra.
Questa soluzione dimostra che l’influenza della rotazione della
Terra sulla convezione nel nucleo fluido esterno è responsabile di
questa struttura di campo magnetico e della dipendenza dal tempo.
E’ stata confermata inoltre l’inversione di campo in un periodo
di poco più di cento anni, circa 36.000 anni fa.
L’intensità del momento magnetico dipolare diminuì di circa un
fattore dieci durante l’inversione e si ricostituì subito dopo, come
si osserva nelle registrazioni paleomagnetiche delle inversioni polari
La soluzione di
Glatzmaier- Roberts mostra come la convezione nel nucleo fluido
esterno cerchi continuamente di invertire il campo ma il nucleo
solido interno impedisce le inversioni magnetiche perché il campo nel
nucleo interno può variare solo per diffusione su una scala di
tempo molto più lunga.
Solo una volta su tanti tentativi l’inversione ha successo, il che
è probabilmente il motivo per cui i tempi tra due inversioni del
campo della Terra sono lunghi e distribuiti casualmente.
Una parte del modello
numerico tiene conto della velocità di rotazione del nucleo solido
interno relativamente alla superficie, che varia in accordo al momento
applicato al nucleo interno dal campo magnetico generato.Il modello
mostra che il campo unisce il nucleo interno al fluido che si muove
intorno ad esso verso est, mantenendolo in co-rotazione.
Questo modello è analogo ad un motore elettrico sincrono per
cui il campo, trasportato verso est dal fluido, agisce come il campo
rotante nello statore ed il nucleo interno agisce come il rotore.
Il nucleo interno
in questa simulazione ruota tipicamente tra 2 e 3 gradi di
longitudine all’anno più velocemente del mantello solido e
della superficie, e questa previsione è stata confermata
successivamente da più accurati studi sulle serie sismiche
passate.
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Una
rappresentazione della regione (gialla) dove il moto del fluido è
maggiore. Il confine nucleo- mantello è la rete azzurra; il confine
del nucleo interno è la rete rossa.Grandi flussi locali (verso est
vicino al nucleo interno e verso ovest vicino al mantello) esistono su
un immaginario “cilindro tangente” dovuti agli effetti della forte
rotazione, bassa viscosità del fluido, e alla presenza del nucleo
solido interno dentro al guscio sferico del nucleo fluido esterno.
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Problemi aperti
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1.Se
il campo magnetico esiste a causa del moto del fluido nel nucleo
esterno, il campo dovrebbe avere una vita limitata.
Quando la Terra si raffredderà al punto che l’intero nucleo diventi
solido, il campo si estinguerebbe in circa 10.000 anni. Se ciò accadrà
mai è tuttavia ignoto perché il Sole potrebbe passare attraverso lo
stadio di Supernova prima che questo accada, rendendo la questione del
tutto accademica.
2.La
zona fluida nella Terra esiste a causa delle dimensioni della Terra.
E’ necessario un lungo tempo affinchè un grande corpo si
raffreddi.Un piccolo
pianeta, per esempio Mercurio, deve essersi raffreddato molto tempo
fa; non dovrebbe avere un nucleo freddo. Esso ha tuttavia un debole
campo magnetico e la sonda Galileo ha determinato che anche la luna di
Giove, Ganimede, possiede un debole campo magnetico. Forse il
raffreddamento non procede in questi corpi nel modo che immaginiamo
(se è così, essi possono contenere zone fluide), o forse esiste un
altro modo per conservare un campo magnetico.
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| Il modello di
Glatzmaier-Roberts ha ottenuto una recente conferma dagli esperimenti
condotti presso il Politecnico di Karlsruhe. |
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