Se adoptó un enfoque teórico de física mineral basado en los métodos ab initio para determinar la viscosidad de hexagonal, Hierro compacto a las presiones y temperaturas extremas correspondientes al núcleo interno de la Tierra. Se encuentra que los resultados niegan las observaciones geofísicas de grandes fluctuaciones en la tasa de rotación del núcleo interno. La viscosidad obtenida también descarta la traslación del núcleo interno y proporciona apoyo de que la dinámica del núcleo interno puede estar gobernada por la convección de estado sólido.

El núcleo interno de la Tierra, escondido 5150 km bajo nuestros pies, está compuesto principalmente de hierro sólido y está expuesto a presiones entre 329 y 364 GPa (que son ~ 3.3 a 3.6 millones de veces la presión atmosférica) y temperaturas de ~ 5000 a ~ 6000 K (Imagen 1). Las observaciones sismológicas revelaron previamente que la velocidad de las ondas sísmicas producidas por los terremotos depende en gran medida de su dirección cuando viajan a través del núcleo interno. un fenómeno conocido como "anisotropía sísmica". Esto se debe a la alineación de los cristales de hierro, algo que puede ser causado por una deformación dentro del núcleo interno. También se han informado variaciones más específicas en la anisotropía sísmica entre el hemisferio oriental y occidental del núcleo interno. Otros estudios sísmicos sugieren además "distintas fluctuaciones en la tasa de rotación del núcleo interno" con respecto a la de la corteza y el manto de la Tierra. Aunque los modelos geodinámicos previos predicen que la asimetría hemisférica de la estructura de anisotropía sísmica puede explicarse por "un movimiento de traslación del núcleo interno" y que las variaciones en la duración de un día pueden explicarse por el acoplamiento gravitacional entre el manto y un interior débil. centro, las causas y los mecanismos de estas características enigmáticas siguen sin estar claras porque sus modelos se basan en la "fuerza viscosa" pobremente restringida del hierro en las condiciones extremas del centro de la Tierra.

La viscosidad de los materiales depende de la forma en que los cristales de hierro sufren la deformación plástica en respuesta a una tensión mecánica, y los mecanismos de deformación llamados "fluencia" generalmente se esperan bajo condiciones de alta temperatura y de poca tensión (Imagen 2). La fluencia de cristales sólidos generalmente se acomoda por el movimiento de disposiciones imperfectas de átomos en las estructuras cristalinas llamadas "defectos de la red" y está particularmente limitado por la "difusión atómica" en las condiciones del núcleo interno. Tales condiciones imponen dificultades técnicas en los experimentos de laboratorio que hacen que las mediciones de la viscosidad del núcleo interno sean actualmente imposibles. En lugar de, Dr. Sebastián Ritterbex, un investigador postdoctoral, y el Prof. Taku Tsuchiya del Centro de Investigación en Geodinámica, Universidad de Ehime, Simulaciones por computadora aplicadas a escala atómica basadas en la teoría de la mecánica cuántica, llamados "los métodos ab initio, "cuantificar la difusión atómica en hierro hexagonal compacto (hcp), la fase más probable de hierro estable en el núcleo interno (Imagen 1).

Este enfoque teórico de la física mineral puede calcular las propiedades electrónicas y los enlaces químicos con gran precisión y, por lo tanto, es bastante poderoso para investigar las propiedades de los materiales en condiciones extremas que son difíciles de manejar mediante experimentos. En este estudio, la técnica se aplicó para calcular la autodifusión del hierro mediante la energética de la formación y migración de defectos puntuales. Los resultados se aplican a modelos macroscópicos de plasticidad intracristalina para calcular numéricamente el comportamiento de fluencia limitante de la velocidad del hierro hcp. El modelo proporciona evidencia de que la viscosidad del hierro hcp es menor que la postulada en los modelos geofísicos anteriores y está determinada por el transporte de cizallamiento a través de la red cristalina. un mecanismo de deformación plástica conocido como "fluencia de dislocación" (Imagen 2), lo que puede conducir a la formación de orientaciones cristalográficas preferidas. Esto sugiere que el flujo plástico de hierro hcp podría contribuir a la alineación de los cristales y, por lo tanto, a la anisotropía sísmica en el núcleo interno.

Los resultados arrojan nueva luz sobre las enigmáticas propiedades del núcleo interno. Los investigadores demuestran que la baja viscosidad del hierro hcp derivada del enfoque teórico de la física mineral es consistente con un fuerte acoplamiento entre el núcleo interno y el manto compatible con las observaciones geofísicas de pequeñas fluctuaciones en la tasa de rotación del núcleo interno. Además, los resultados predicen que el núcleo interno es demasiado débil para sufrir un movimiento de traslación, lo que significa que es probable que la estructura asimétrica hemisférica tenga otra, aún desconocido, origen. En lugar de, las tensiones mecánicas de decenas de Pa son suficientes para deformar el hierro hcp por dislocación por fluencia a velocidades de deformación extremadamente bajas, comparable a las fuerzas candidatas capaces de impulsar la convección del núcleo interno. La viscosidad asociada no es una constante, sino que depende de la tensión mecánica aplicada al núcleo interno, un comportamiento conocido como "reología no newtoniana". Por lo tanto, se espera que este comportamiento de deformación no lineal gobierne la dinámica del núcleo interno de la Tierra.

En el futuro, modelos más cuantitativos que utilicen las propiedades viscosas del hierro hcp obtenidos en este estudio podrían mejorar la comprensión del núcleo interno de la Tierra.

El estudio se publica en Informes científicos .