Uma abordagem teórica da física mineral baseada nos métodos ab initio foi adotada para determinar a viscosidade do ferro hexagonal e compactado às pressões e temperaturas extremas correspondentes ao núcleo interno da Terra. Os resultados são encontrados para negar observações geofísicas de grandes flutuações na taxa de rotação interna do núcleo. A viscosidade obtida também exclui a tradução 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, escondido 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 pelos terremotos depende fortemente de sua direção ao viajar pelo núcleo interno, um fenômeno conhecido como “anisotropia sísmica”. Isso ocorre devido ao alinhamento dos cristais de ferro, algo que pode ser causado por deformação no interior do núcleo. Variações mais específicas na anisotropia sísmica entre os hemisférios leste e oeste do núcleo interno também foram relatadas. Outros estudos sísmicos sugerem ainda “flutuações distintas na taxa de rotação interna do núcleo” em relação à crosta e manto da Terra. Embora modelagens geodinâmicas anteriores prevejam que a assimetria hemisférica da estrutura anisotrópica sísmica pode ser explicada por “um movimento de translação do núcleo interno” e que variações na duração de um dia podem ser explicadas pelo acoplamento gravitacional entre o manto e um interior fraco No núcleo, as causas e os mecanismos dessas características enigmáticas permanecem incertos, porque suas modelagens dependem da “força viscosa” do ferro nas condições extremas do centro da Terra.
A viscosidade dos materiais depende da maneira como os cristais de ferro sofrem deformação plástica em resposta a uma tensão mecânica, e geralmente são esperados mecanismos de deformação chamados “fluência” sob condições de alta temperatura e baixa tensão (Imagem 2). A fluência de cristais sólidos geralmente é acomodada pelo movimento de arranjos imperfeitos de átomos nas estruturas cristalinas chamadas “defeitos de treliça” e é particularmente limitada pela “difusão atômica” sob as condições do núcleo interno. Tais condições impõem dificuldades técnicas em experimentos de laboratório, tornando atualmente impossíveis as medições da viscosidade do núcleo interno. Em vez disso, o Dr. Sebastian Ritterbex, pesquisador de pós-doutorado, e o Prof. Taku Tsuchiya, do Centro de Pesquisa em Geodinâmica da Universidade Ehime, aplicaram simulações em computador de escala atômica baseadas na teoria da mecânica quântica, denominadas “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).
Essa abordagem teórica da física mineral pode calcular propriedades eletrônicas e ligações químicas com alta precisão e, portanto, é bastante poderosa na investigação de propriedades do material em condições extremas difíceis de serem manipuladas por experimentos. Neste estudo, a técnica foi aplicada para calcular a auto-difusão de 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 com limitação de velocidade do 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 treliça de cristal, um mecanismo de deformação plástica conhecido como “fluência de deslocamento” (Imagem 2), que pode levar a a formação de orientações cristalográficas preferidas. Isso sugere que o fluxo plástico de ferro hcp pode realmente contribuir para o alinhamento do cristal e, portanto, 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 teórica da física mineral 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. Além disso, os resultados preveem que o núcleo interno é fraco demais para sofrer movimento de translação, o que significa que a estrutura assimétrica hemisférica provavelmente terá outra origem, ainda que desconhecida. Em vez disso, as tensões mecânicas de dezenas de Pa são suficientes para deformar o ferro hcp por fluência por deslocamento a taxas de deformação extremamente baixas, comparáveis às forças candidatas capazes de conduzir a convecção do núcleo interno. A viscosidade associada não é uma constante, mas depende da tensão mecânica aplicada ao núcleo interno, um comportamento conhecido como “reologia não newtoniana”. Espera-se, portanto, que esse comportamento não linear de deformação governe a dinâmica do núcleo interno da Terra.
No futuro, modelagens mais quantitativas usando as propriedades viscosas do ferro hcp obtidas neste estudo podem melhorar a compreensão do núcleo interno da Terra.
Publicado em 18/04/2020 20h28
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