Il nucleo terrestre potrebbe essere ricco di ossigeno

L’ossigeno è la sostanza chiave per la vita e uno degli elementi più abbondanti sulla Terra. Tuttavia, non è ancora noto se l’ossigeno sia presente e in quale forma nel nucleo interno, che è composto da ferro quasi puro e soggetto a condizioni di pressione e temperatura estremamente elevate.

Ora, gli scienziati hanno rivelato che le leghe Fe-O ricche di Fe sono stabili a pressioni estreme di quasi 300 GPa e temperature elevate di oltre 3.000 K (~ 5.000 gradi F). I risultati dimostrano che l’ossigeno può esistere nel nucleo interno solido, il che fornisce vincoli chiave per un’ulteriore comprensione del processo di formazione e della storia evolutiva del nucleo terrestre. Lo studio, che è stato co-condotto dal Dr. Jin Liu dell’HPSTAR (Centro per la ricerca avanzata di scienza e tecnologia ad alta pressione) e dal Dr. Yang Sun della Columbia University, è stato pubblicato di recente sulla rivista The Innovation.

Essendo uno dei luoghi più misteriosi del pianeta, il solido nucleo interno della Terra si trova nell’ambiente di temperatura e pressione più estremi sulla Terra, con una pressione di oltre 3 milioni di atmosfere e una temperatura vicina alla superficie del Sole, circa 6000 K (~10.000 gradi F). Poiché il nucleo interno è ben oltre la portata dell’uomo, possiamo solo dedurne la densità e la composizione chimica dai segnali sismici generati dai terremoti.

Allo stato attuale si ritiene che nel nucleo interno esistano elementi leggeri, ma la tipologia e il contenuto sono ancora dibattuti. Prove cosmochimiche e geochimiche suggeriscono che dovrebbe contenere zolfo, silicio, carbonio e idrogeno. Esperimenti e calcoli hanno anche confermato che questi elementi si mescolano con il ferro puro per formare varie leghe di ferro nelle alte temperature e nelle condizioni di alta pressione delle profondità della Terra.

Tuttavia, l’ossigeno, che è strettamente correlato a noi, è solitamente escluso dal nucleo interno. Ciò è dovuto principalmente al fatto che le leghe Fe-O con composizioni ricche di ferro non sono mai state trovate negli ambienti superficiali o del mantello. Il contenuto di ossigeno in tutti gli ossidi di ferro conosciuti è maggiore o uguale al 50 percento atomico. Sebbene le persone abbiano cercato di sintetizzare composti di ossido di ferro con composizioni ricche di ferro, tali sostanze non sono mai state trovate.

Il nucleo interno della Terra è così “anossico?” Per rispondere a questa domanda, in questo studio sono stati effettuati una serie di esperimenti e calcoli teorici.

Per avvicinarsi alla temperatura e alla pressione del nucleo terrestre, ferro puro e ossido di ferro sono stati posti sulle punte di due incudini diamantate e riscaldati con un raggio laser ad alta energia. Dopo molti tentativi, si è scoperto che una reazione chimica tra ferro e ossido di ferro si verifica al di sopra di 220-260 GPa e 3000 K. I risultati XRD rivelano che il prodotto di reazione è diverso dalla comune struttura ad alta temperatura e alta pressione del ferro puro e ossido di ferro.

Una ricerca teorica sulla struttura cristallina utilizzando un algoritmo genetico ha dimostrato che la lega Fe-O ricca di ferro potrebbe esistere stabilmente a circa 200 GPa. In tali condizioni, le nuove leghe Fe-O ricche di Fe formano una struttura compatta esagonale, in cui gli strati di ossigeno sono disposti tra gli strati di Fe per stabilizzare la struttura. Un tale meccanismo produce molti arrangiamenti compatti che formano una grande famiglia di composti Fe-O ricchi di Fe con una grande entropia configurazionale.

Sulla base di queste informazioni teoriche, è stata trovata una configurazione atomica di Fe 28 O 14 che corrispondeva al modello XRD misurato sperimentalmente. Ulteriori calcoli hanno mostrato che le fasi Fe-O ricche di Fe sono metalliche, a differenza dei comuni ossidi di ferro a basse pressioni. La struttura elettronica dipende dalla concentrazione di O e dalla disposizione degli strati Fe e O.

Le proprietà meccaniche e termiche della lega devono essere ulteriormente studiate in futuro.