Significato
Il ferro è il principale costituente dei nuclei planetari terrestri, assumendo una struttura esagonale chiusa nelle condizioni del nucleo interno della Terra, e una struttura cubica a facce centrate (fcc) alle pressioni più moderate dei corpi più piccoli, come la Luna, Mercurio o Marte. Qui presentiamo misure di velocità del suono e densità del ferro fcc a pressioni e temperature caratteristiche di piccoli interni planetari. I risultati indicano che le velocità sismiche attualmente proposte per il nucleo interno della Luna sono ben al di sotto di quelle del ferro fcc o delle leghe di ferro plausibili. Il nostro set di dati fornisce forti vincoli ai modelli sismici del nucleo lunare e dei nuclei di piccoli pianeti tellurici, e ci permette di costruire un modello diretto della composizione e della velocità del nucleo della Luna.
Abstract
Le proprietà fisiche del ferro (Fe) ad alta pressione e alta temperatura sono cruciali per comprendere la composizione chimica, l’evoluzione e la dinamica degli interni planetari. Infatti, le strutture interne dei pianeti tellurici condividono tutte una simile natura stratificata: un nucleo centrale metallico composto principalmente da ferro, circondato da un mantello di silicati e da una crosta sottile e chimicamente differenziata. Fino ad oggi, la maggior parte degli studi sul ferro si sono concentrati sulla fase esagonale chiusa (hcp, o ε), poiché ε-Fe è probabilmente stabile nelle condizioni di pressione e temperatura del nucleo della Terra. Tuttavia, alle pressioni più moderate caratteristiche dei nuclei di corpi planetari più piccoli, come la Luna, Mercurio o Marte, il ferro assume una struttura cubica a facce centrate (fcc, o γ). Qui presentiamo la velocità del suono e la densità delle onde di compressione e di taglio del γ-Fe ad alte pressioni e alte temperature, che sono necessarie per sviluppare accurati modelli sismici degli interni planetari. I nostri risultati indicano che le velocità sismiche proposte per il nucleo interno della Luna da una recente rianalisi dei dati sismici Apollo sono ben al di sotto di quelle del γ-Fe. Il nostro set di dati fornisce quindi forti vincoli ai modelli sismici del nucleo lunare e dei nuclei di piccoli pianeti tellurici. Questo ci permette di proporre un modello composizionale e di velocità diretto per il nucleo della Luna.
- ferro
- alta pressione
- alta temperatura
- Luna
- corpi planetari tellurici
Anche se i pianeti e i satelliti tellurici hanno nuclei metallici composti principalmente di ferro, le differenze di massa implicano diverse condizioni di pressione (P) e temperatura (T) al centro di questi corpi. Questo, a sua volta, si riflette sulla natura solida o liquida del nucleo e sulla struttura cristallina stabile della fase solida. La fase esagonale chiusa (hcp, o ε) è probabilmente la fase Fe stabile nelle condizioni di pressione e temperatura del nucleo della Terra (1). Alle moderate P-T caratteristiche dei nuclei di pianeti relativamente piccoli, come Mercurio (P tra ∼8 GPa e ∼40 GPa, T tra ∼1.700 K e ∼2.200 K) (2) o Marte (P tra ∼24 GPa e ∼42 GPa, T tra ∼2.000 K e 2.600 K) (3, 4), o satelliti, inclusa la Luna (P∼5-6 GPa, T tra 1.300 K e 1.900 K) (5), la struttura stabile attesa del ferro è cubica a facce centrate (fcc, o γ) (6). Per questa fase, non ci sono ampie misure sperimentali delle velocità sonore aggregate in funzione della pressione e della temperatura. Gli studi sono limitati a una singola determinazione della velocità di Debye a 6 GPa e 920 K (7) e a un esperimento di scattering neutronico anelastico (INS) a pressione ambiente e 1.428 K (8), anche se un insieme completo e coerente di misure delle velocità del suono delle onde di compressione e di taglio (rispettivamente, VP e VS) e della densità (ρ) ad alta pressione e alta temperatura sono parametri essenziali necessari per sviluppare modelli sismici affidabili dei nuclei planetari.
La Luna è l’unico altro corpo tellurico oltre alla Terra per il quale sono disponibili molteplici osservazioni sismiche dirette. Queste sono state fornite dall’Apollo Lunar Surface Experiments Package (9) che, nonostante il numero molto limitato di sismometri e la parziale estensione selenografica, ha fornito preziose informazioni sulla struttura dell’interno della Luna (10, 11). Tuttavia, le indagini sismiche dell’interno lunare più profondo (>900 km di profondità) rimangono molto impegnative. La struttura del nucleo lunare è controversa, con un solo studio sismico di onde S e P riflesse e convertite dal nucleo che rileva direttamente l’esistenza di un nucleo interno solido e di un nucleo esterno fluido (10). L’esistenza di un nucleo esterno liquido sembra essere favorita anche quando si considera il momento d’inerzia polare, la risposta elastica complessiva al potenziale di marea (numeri di Love), e i vincoli sismici del mantello (10⇓-12). Nell’analisi dei dati sismici proposta in rif. 10, il nucleo interno è stato modellato come ferro puro, mentre il nucleo liquido esterno è stato modellato per contenere meno del 13% in peso di zolfo legato al ferro (meno del 6% in peso nell’intero nucleo). Varie osservazioni indirette indicano anche l’esistenza di un nucleo metallico (5, 12), sebbene gli studi differiscano in molti aspetti, come il raggio del nucleo, la natura solida o liquida, o la sua composizione. Una determinazione precisa della struttura e della composizione chimica del nucleo della Luna è essenziale per la comprensione delle dinamiche attuali, così come per vincolare i modelli di origine ed evoluzione lunare, inclusa la possibile esistenza di una dinamo lunare ormai estinta (5, 13).
Il collegamento tra le osservazioni sismiche e i modelli geofisici può essere fornito da esperimenti che sondano la propagazione delle onde sonore nei materiali candidati in condizioni termodinamiche rilevanti. Qui abbiamo effettuato misure di densità (ρ) e velocità del suono (VP e VS) su ferro body-centered cubic (bcc) e fcc ad alta pressione simultanea e ad alta temperatura, usando la diffusione anelastica dei raggi X (IXS) combinata con misure di diffrazione dei raggi X (XRD).
IXS permette una chiara identificazione delle eccitazioni longitudinali degli aggregati nei campioni policristallini, la derivazione diretta di VP e la stima di VS (testo SI, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (Fig. 1). Questa tecnica si è dimostrata molto adatta per misurazioni su campioni metallici compressi in una cella a incudine di diamante (14⇓-16), ed è stata recentemente estesa per misurazioni in condizioni simultanee di alta P-T (17⇓⇓-20). Inoltre, le misure XRD combinate forniscono una determinazione di fase non ambigua e la derivazione diretta della densità del campione (testo SI, diffusione anelastica dei raggi X e misure di diffrazione).