Uma abordagem teórica da física mineral baseada nos métodos ab initio foi adotada para determinar a viscosidade do hexagonal, ferro compactado nas pressões e temperaturas extremas correspondentes ao núcleo interno da Terra. Os resultados encontrados negam as observações geofísicas de grandes flutuações na taxa de rotação do núcleo interno. A viscosidade obtida também exclui a translação do núcleo interno e fornece suporte para que a dinâmica do núcleo interno possa ser governada por convecção de estado sólido.

O núcleo interno da Terra, escondidos 5150 km abaixo de nossos pés, é composto principalmente de ferro sólido e está exposto a pressões entre 329 e 364 GPa (que são ~ 3,3 a 3,6 milhões de vezes a pressão atmosférica) e temperaturas de ~ 5000 a ~ 6000 K (Imagem 1). As observações sismológicas revelaram anteriormente que a velocidade das ondas sísmicas produzidas por terremotos depende fortemente de sua direção ao viajar através do núcleo interno, um fenômeno conhecido como "anisotropia sísmica". Isso se deve ao alinhamento dos cristais de ferro, algo que pode ser causado por deformação dentro do núcleo interno. Variações mais específicas na anisotropia sísmica entre o hemisfério oriental e ocidental do núcleo interno também foram relatadas. Outros estudos sísmicos, além disso, sugerem "flutuações distintas na taxa de rotação do núcleo interno" em relação à crosta e manto da Terra. Embora modelagens geodinâmicas anteriores prevejam que a assimetria hemisférica da estrutura de anisotropia sísmica pode ser explicada por "um movimento de translação do núcleo interno" e que as variações na duração de um dia podem ser explicadas pelo acoplamento gravitacional entre o manto e um interior fraco essencial, as causas e os mecanismos dessas características enigmáticas permanecem obscuros porque suas modelagens dependem da mal restringida "força viscosa" do ferro nas condições extremas do centro da Terra.

A viscosidade dos materiais depende da forma como os cristais de ferro sofrem deformação plástica em resposta a um estresse mecânico, e os mecanismos de deformação chamados "fluência" são geralmente esperados em condições de alta temperatura e pequenas tensões (Imagem 2). A fluência de cristais sólidos é geralmente acomodada pelo movimento de arranjos imperfeitos de átomos nas estruturas de cristal chamados de "defeitos de rede" e é particularmente limitada pela "difusão atômica" nas condições do núcleo interno. Tais condições impõem dificuldades técnicas aos experimentos de laboratório, tornando as medições da viscosidade do núcleo interno atualmente impossíveis. Em vez de, Dr. Sebastian Ritterbex, um pesquisador pós-doutorado, e o Prof. Taku Tsuchiya do Centro de Pesquisa Geodinâmica, Ehime University, aplicou simulações de computador em escala atômica com base na teoria da mecânica quântica, chamados de "métodos ab initio, "para quantificar a difusão atômica em ferro hexagonal compactado (hcp), a fase mais provável de ferro estável no núcleo interno (Imagem 1).

Esta abordagem de física mineral teórica pode computar propriedades eletrônicas e ligações químicas com alta precisão e, portanto, é bastante poderosa na investigação de propriedades de materiais em condições extremas que são difíceis de manusear por experimentos. Neste estudo, a técnica foi aplicada para calcular a autodifusão do ferro através da energética da formação e migração de defeitos pontuais. Os resultados são aplicados a modelos macroscópicos de plasticidade intracristalina para calcular numericamente o comportamento de fluência limitante da taxa de ferro hcp. A modelagem fornece evidências de que a viscosidade do ferro hcp é menor do que a postulada nas modelagens geofísicas anteriores e determinada pelo transporte de cisalhamento através da rede cristalina, um mecanismo de deformação plástica conhecido como "deslocamento de deslocamento" (Imagem 2), o que pode levar à formação de orientações cristalográficas preferidas. Isso sugere que o fluxo plástico de ferro hcp pode de fato contribuir para o alinhamento do cristal e, portanto, para a anisotropia sísmica no núcleo interno.

Os resultados lançam uma nova luz sobre as propriedades enigmáticas do núcleo interno. Os pesquisadores demonstram que a baixa viscosidade do ferro hcp derivada da abordagem da física mineral teórica é consistente com um forte acoplamento entre o núcleo interno e o manto compatível com observações geofísicas de pequenas flutuações na taxa de rotação do núcleo interno. Os resultados, além disso, prevêem que o núcleo interno é muito fraco para sofrer movimento translacional, o que significa que a estrutura assimétrica hemisférica provavelmente terá outra, ainda desconhecido, origem. Em vez de, tensões mecânicas de dezenas de Pa são suficientes para deformar o ferro hcp por fluência de deslocamento a taxas de deformação extremamente baixas, comparável às forças candidatas capazes de conduzir a convecção do núcleo interno. A viscosidade associada não é uma constante, mas depende do estresse mecânico aplicado ao núcleo interno, um comportamento conhecido como "reologia não newtoniana". Espera-se, portanto, que esse comportamento de deformação não linear governe a dinâmica do núcleo interno da Terra.

No futuro, mais modelagens quantitativas usando as propriedades viscosas do ferro hcp obtidas neste estudo poderiam aumentar a compreensão do núcleo interno da Terra.

O estudo é publicado em Relatórios Científicos .