Il percorso blu illustra un’onda sismica penetrante nel nucleo che si muove attraverso una regione del nucleo esterno, dove la velocità sismica è aumentata perché un flusso a bassa densità si è spostato nella regione.
Nel maggio 1997, un grande terremoto ha scosso la regione delle isole Kermadec nell’Oceano Pacifico meridionale. Poco più di 20 anni dopo, nel settembre 2018, un secondo grande terremoto ha colpito ancora, le sue ondate di energia sismica emanavano dalla stessa regione.
Anche se i terremoti si sono verificati a due decenni di distanza, perché si sono verificati nella stessa regione, ci si aspetterebbe che inviassero onde sismiche attraverso gli strati della Terra alla stessa velocità, ha detto Ying Zhou, un geoscienziato del Dipartimento di Geoscienze del Virginia Tech College of Science.
Ma nei dati registrati in quattro delle oltre 150 stazioni della rete sismografica globale che registrano le vibrazioni sismiche in tempo reale, Zhou ha trovato un’anomalia tra gli eventi gemelli: durante il terremoto del 2018, una serie di onde sismiche note come onde SKS ha viaggiato circa un secondo più velocemente delle loro controparti nel 1997.
Secondo Zhou, le cui scoperte sono state recentemente pubblicate su Communications Earth & Environment, quella discrepanza di un secondo nel tempo di viaggio delle onde SKS ci dà uno sguardo importante e senza precedenti di ciò che sta accadendo più in profondità all’interno della Terra, nel suo nucleo esterno.
Cosa c’è dentro conta
Il nucleo esterno è inserito tra il mantello, lo spesso strato di roccia sotto la crosta terrestre, e il nucleo interno, lo strato interno più profondo del pianeta. È composto principalmente da ferro liquido che subisce la convezione, o flusso di fluido, mentre la Terra si raffredda. Questo conseguente turbinio di metallo liquido produce correnti elettriche responsabili della generazione del campo magnetico terrestre, che protegge il pianeta e tutta la vita su di esso dalle radiazioni nocive e dai venti solari.
Senza il suo campo magnetico, la Terra non potrebbe sostenere la vita, e senza i flussi mobili di metallo liquido nel nucleo esterno, il campo magnetico non funzionerebbe. Ma la comprensione scientifica di questa dinamica si basa su simulazioni, ha detto Zhou, professore associato.
“Sappiamo solo che in teoria, se hai la convezione nel nucleo esterno, sarai in grado di generare il campo magnetico“, ha detto.
Gli scienziati sono stati anche in grado di speculare solo sulla fonte di cambiamenti graduali di forza e direzione del campo magnetico che sono stati osservati, il che probabilmente comporta il cambiamento dei flussi nel nucleo esterno.
“Se guardi il polo geomagnetico nord, attualmente si sta muovendo a una velocità di circa 50 chilometri all’anno“, ha detto Zhou. “Si sta allontanando dal Canada e verso la Siberia. Il campo magnetico non è lo stesso ogni giorno. Sta cambiando. Poiché sta cambiando, ipotizziamo anche che la convezione nel nucleo esterno stia cambiando con il tempo, ma non ci sono prove dirette. Non l’abbiamo mai visto“.
Le linee blu sono raggi sismici nel nucleo esterno, dove le onde sismiche penetranti nel nucleo si sono spostate attraverso quella regione più velocemente nel 2018 rispetto al 1997.
Zhou ha deciso di trovare quelle prove. I cambiamenti che accadono nel nucleo esterno non sono drammatici, ha detto, ma vale la pena confermarli e comprenderli fondamentalmente. Nelle onde sismiche e nei loro cambiamenti di velocità su una scala temporale decennale, Zhou ha visto un mezzo per “campionamento diretto” del nucleo esterno. Questo perché le onde SKS che ha studiato passano attraverso di esso.
“SKS” rappresenta tre fasi dell’onda: prima passa attraverso il mantello come un’onda S, o onda di taglio; poi nel nucleo esterno come un’onda compressiva; poi indietro attraverso il mantello come un’onda S. La velocità con cui queste onde viaggiano dipende in parte dalla densità del nucleo esterno che si trova sul loro cammino. Se la densità è inferiore in una regione del nucleo esterno mentre l’onda vi penetra, l’onda viaggerà più velocemente, proprio come hanno fatto le onde SKS anomali nel 2018.
“Qualcosa è cambiato lungo il percorso di quell’onda, quindi ora può andare più veloce“, ha detto Zhou.
Per Zhou, la differenza nella velocità delle onde indica le regioni a bassa densità che si formano nel nucleo esterno nei 20 anni successivi al terremoto del 1997. Quella maggiore velocità d’onda SKS durante il terremoto del 2018 può essere attribuita al rilascio di elementi leggeri come idrogeno, carbonio e ossigeno nel nucleo esterno durante la convezione che avviene mentre la Terra si raffredda, ha detto.
“Il materiale che c’era 20 anni fa non c’è più“, ha detto Zhou. “Questo è un materiale nuovo ed è più leggero. Questi elementi leggeri si muoveranno verso l’alto e cambieranno la densità nella regione in cui si trovano“.
Per Zhou, è la prova che il movimento sta realmente accadendo nel nucleo, e sta cambiando nel tempo, come hanno teorizzato gli scienziati. “Siamo in grado di vederlo ora“, ha detto. “Se siamo in grado di vederlo dalle onde sismiche, in futuro potremmo impostare stazioni sismiche e monitorare quel flusso“.
Questo è il prossimo sforzo di Zhou:
Utilizzando un metodo di misurazione delle onde noto come interferometria, il suo team prevede di analizzare registrazioni sismiche continue da due stazioni sismiche, una delle quali fungerà da fonte sismica “virtuale”.
“Possiamo usare i terremoti, ma la limitazione di fare affidamento sui dati sui terremoti è che non possiamo davvero controllare le posizioni dei terremoti“, ha detto Zhou. “Ma possiamo controllare le posizioni delle stazioni sismiche. Possiamo mettere le stazioni ovunque vogliamo che siano, con il percorso d’onda da una stazione all’altra che attraversa il nucleo esterno. Se lo monitoriamo nel tempo, allora possiamo vedere come cambiano le onde sismiche penetranti nel nucleo tra queste due stazioni. Con questo, saremo in grado di vedere meglio il movimento del fluido nel nucleo esterno con il tempo“.
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