Il nucleo interno solido (Fig. 1) è la parte più remota ed enigmatica del nostro pianeta e, accanto alla crosta, è la più piccola suddivisione “ufficiale” dell’interno della Terra. Fu scoperto nel 1936 (1) e nel 1972 fu stabilito che era solido, anche se con una rigidità molto piccola (2-4). Nel 1993 era stato stabilito che era cristallino (5)., Il nucleo interno è isolato dal resto della Terra dal nucleo esterno del fluido a bassa viscosità e può ruotare, annuire, oscillare, precessare, oscillare e persino capovolgersi, essendo solo vagamente vincolato dai gusci circostanti. La sua esistenza, le sue dimensioni e le sue proprietà limitano la temperatura e la mineralogia vicino al centro della Terra. Tra le sue caratteristiche anomale ci sono bassa rigidità e viscosità (rispetto ad altri solidi), attenuazione di massa, anisotropia estrema e superrotazione (o deformazione; rif. 5–8)., Dalle velocità sismiche e dalle abbondanze cosmiche, sappiamo che è composto principalmente da cristalli di ferro-nichel, e i cristalli devono mostrare un ampio grado di orientamento comune. Si prevede che il nucleo interno abbia una conducibilità termica ed elettrica molto elevata, una forma non sferica e proprietà dipendenti dalla frequenza; inoltre, può essere parzialmente fuso. Può essere essenziale per l’esistenza del campo magnetico e per le inversioni di polarità di questo campo (D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price e M. Gillan, lavoro inedito)., Il congelamento del nucleo interno e l’espulsione delle impurità sono probabilmente responsabili dell’alimentazione del geodynamo. Tuttavia, il nucleo interno rappresenta meno dell ‘ 1% del volume della Terra, e solo poche onde sismiche lo raggiungono e ritornano in superficie. Il nucleo interno è un piccolo bersaglio per i sismologi e le onde sismiche vengono distorte passando attraverso l’intera Terra prima di raggiungerla. Le condizioni vicino al centro della Terra sono così estreme che sia i teorici che gli sperimentatori hanno difficoltà a duplicare il suo ambiente., Tuttavia, c’è stata una recente raffica di attività sul nucleo interno da parte di sismologi, geochimici, dinamicisti, scienziati dei materiali e teorici di geodynamo. Quasi tutto ciò che è noto o dedotto sul nucleo interno dalla sismologia o dall’inferenza indiretta è controverso. In questo numero di PNAS, Ishii e Dziewoński (8) aggiungono ulteriori intrighi e complicazioni ai fenomeni vicino al centro della Terra, e suggeriscono una storia complessa per questo piccolo oggetto.,

I pianeti si differenziano man mano che si accrescono e guadagnano energia gravitazionale. La tempistica di questa differenziazione è un obiettivo di lunga data della Scienza della Terra (9-13). La stratificazione della densità spiega le posizioni della crosta, del mantello e del nucleo., Il nucleo interno è probabilmente anche il risultato della stratificazione chimica, anche se l’effetto della pressione sul punto di fusione genererebbe un nucleo interno solido anche se fosse chimicamente identico al nucleo esterno. I materiali a bassa densità sono esclusi quando la solidificazione è lenta, quindi il nucleo interno può essere più puro e più denso del nucleo esterno. Mentre il nucleo interno cristallizza e il nucleo esterno si raffredda, il materiale tenuto in soluzione e sospensione si appiattisce o si deposita al limite del mantello del nucleo e può essere incorporato nel mantello più basso., Il mantello viene solitamente trattato come uno strato chimicamente omogeneo, ma questo è improbabile. Anche silicati più densi, possibilmente ricchi di silicio e ferro, gravitano verso le parti inferiori del mantello. I materiali del mantello crostale e poco profondo venivano sudati dalla Terra mentre si accrescevano, e alcuni apparentemente non erano mai in equilibrio con il materiale del nucleo., L’effetto della pressione sulle proprietà fisiche implica che il mantello e il nucleo probabilmente si stratificano irreversibilmente all’accrescimento, che solo i gusci esterni del mantello partecipano a processi superficiali come il vulcanismo e la tettonica delle placche e che solo gli strati più profondi interagiscono attualmente con il nucleo.

La crosta, il mantello superiore, il mantello inferiore, il nucleo e il nucleo interno sono le suddivisioni da manuale dell’interno della Terra. La tomografia sismica viene utilizzata per mappare variazioni laterali su larga scala in queste principali suddivisioni., Tecniche sismiche ad alta risoluzione sono state utilizzate per scoprire e mappare caratteristiche su piccola scala nella parte superiore e inferiore del nucleo (14-16). I confini classici all’interno della Terra (6) sono stati tutti scoperti nella prima parte del secolo scorso. Nel 1960, i confini interni al mantello sono stati scoperti a profondità di 400 e 650 km e sono stati attribuiti a cambiamenti di fase solido–solido (17), in contrasto con gli altri che sono confini chimici o di solidificazione. Più recentemente, una probabile discontinuità chimica è stata trovata in profondità nel mantello (16), e un’altra è stata dedotta vicino a 900 km (18)., Le discontinuità sismiche sono convenzionalmente trovate dalla riflessione e dalla rifrazione delle onde sismiche, ma recentemente fattori come anisotropia, attenuazione, dispersione, densità spettrale e decorrelazioni statistiche sono stati usati per trovare le caratteristiche più sottili. La nuova regione in profondità nel nucleo interno rappresenta un cambiamento nel carattere del modello di anisotropia (8) e può rappresentare un fenomeno fondamentalmente diverso.

La controversia di lunga data per quanto riguarda un drawn-out (100 milioni di anni) vs., un rapido accrescimento terrestre (≈1 milione di anni) sembra risolversi a favore delle scale temporali più brevi e di un’origine ad alta temperatura. I dati geofisici richiedono un rapido accrescimento della Terra e la formazione precoce del nucleo (9). Fino a poco tempo fa, rapida accrescimento è stato in contrasto con la teoria di accrescimento e dati isotopici, ma ora, queste discipline sono anche favorendo una scala temporale contratta. Una varietà di isotopi ha confermato brevi intervalli di tempo tra la formazione del sistema solare e i processi di differenziazione planetaria (10-13)., Questa scoperta ha a che fare con l’età del nucleo interno e la sua storia di raffreddamento.

Esistono tre meccanismi abbastanza diversi per creare un nucleo planetario. Nell’ipotesi di accrescimento omogeneo, i silicati e i metalli si accumulano insieme ma, mentre la Terra si riscalda, i metalli pesanti percolano verso il basso, formando alla fine grandi accumuli densi che affondano rapidamente verso il centro, portando con sé gli elementi siderofili., Nell’ipotesi di accrescimento eterogeneo, i condensati refrattari (inclusi ferro e nichel) di una nebulosa di raffreddamento iniziano a formare il nucleo di un pianeta prima che la maggior parte dei silicati e dei volatili siano disponibili. L’impiallacciatura tardiva contribuisce a condensati e gas a bassa temperatura, compresa l’acqua, dalle estremità del sistema solare. Infine, i grandi impatti tardivi possono iniettare in modo efficiente e rapido i loro nuclei metallici al centro del pianeta colpito e innescare un’ulteriore separazione del ferro dal mantello. La Luna è un sottoprodotto di uno di questi impatti tardivi., Il materiale nel nucleo può, quindi, avere origini multiple e una storia complessa. Altre questioni riguardanti il nucleo interno riguardano la sua età, il tasso di crescita, la densità, la temperatura, la consistenza e le fonti di energia interne (ref. 8 e 19-21, e D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price, e M. Gillan, lavoro inedito).

Il nucleo esterno è solitamente considerato completamente fuso a causa della sua bassa viscosità e dell’incapacità di trasmettere onde di taglio. Tuttavia, potrebbe contenere più del 50% di cristalli sospesi e comportarsi ancora come un fluido., Il limite del nucleo interno potrebbe quindi rappresentare l’incrocio della geotermia con la curva di fusione (la spiegazione convenzionale) o un limite di compattazione in cui la densità delle particelle della sospensione supera una soglia. Di solito si presume che il nucleo esterno sia omogeneo, interamente fluido e convetta in modo turbolento. Il nucleo interno può anche contenere una frazione di fusione sostanziale, in particolare se c’è un ampio intervallo tra il solidus e il liquidus. È stato anche proposto che il nucleo interno sia un fluido viscoso o un vetro metallico (19)., I nuovi risultati sull’anisotropia lo rendono improbabile. La viscosità bassa e dedotta del nucleo interno significa che può deformarsi e convettare dall’influenza delle sollecitazioni di marea e rotazionali e dei moti del nucleo esterno, nonché dalle sollecitazioni generate internamente. Il nucleo interno è uno dei pochi posti al suo interno dove ci si potrebbe aspettare di vedere i cambiamenti su una scala temporale umana. Può presentare rotazione differenziale semirigida rispetto al mantello ma anche, e più probabilmente, deformazione non rigida o plastica. L’anisotropia è un indicatore di tale deformazione o convezione.,

I cristalli sono anisotropi e tendono ad essere orientati per sedimentazione, congelamento, ricristallizzazione, deformazione e flusso. Pertanto, ci aspettiamo che le porzioni solide della Terra siano anisotropiche alla propagazione delle onde sismiche e di altre proprietà del materiale. Nonostante queste aspettative, sismologia procedette e fiorì con l’assunzione di isotropia fino al 1960. A questo punto, la teoria di anisotropia sismica è stato elaborato e osservazioni verificate le aspettative (vedi riferimenti in ref. 6)., Tuttavia, la maggior parte dei sismologi ha ignorato l’anisotropia fino a poco tempo fa nel progresso della sismologia. Non solo l’anisotropia è uno strumento utile per determinare la composizione, la mineralogia e la deformazione dalla sismologia, ma i modelli terrestri basati sull’isotropia possono essere completamente sbagliati. L’anisotropia non è semplicemente una piccola perturbazione di una Terra essenzialmente isotropica. La variazione delle velocità delle onde sismiche in funzione della direzione può essere maggiore di quelle causate dalla temperatura e dalla composizione., Nel caso del nucleo interno interno (8), le onde sismiche penetranti viaggiano quasi radialmente, quindi pochissime informazioni sono estraibili, tranne la variazione del tempo di viaggio con azimut, ad esempio, percorsi equatoriali rispetto a quelli polari, o con onde che si propagano in direzioni diverse nel piano equatoriale. La dimensione della zona di Fresnel limita anche la risoluzione sismica del nucleo più interno. Fortunatamente, i cristalli di ferro ad alta pressione hanno una grande anisotropia (21, 22); altrimenti, si potrebbe dire poco sull’eterogeneità o sulla rotazione/deformazione del nucleo interno.,

La forma e il tessuto del nucleo interno sono influenzati dalle forze gravitazionali dal mantello, dalle sollecitazioni elettromagnetiche e viscose dal nucleo esterno e dalle sollecitazioni rotazionali e mareali. Queste sollecitazioni causano il flusso di plastica irreversibile, l’allineamento dei cristalli e la ricristallizzazione. L’anisotropia sismica è un risultato.

Il nucleo interno è sottoposto a una varietà di sollecitazioni esterne che coinvolgono variazioni nei parametri orbitali e rotazionali, maree, rimorchiatori gravitazionali dal mantello, resistenza viscosa del nucleo esterno e forze elettromagnetiche., Può anche generare tensioni interne da variazioni termiche e chimiche, anisotropia e raffreddamento, e rispondere a queste da flusso poroso, rotazione differenziale, convezione e deformazione e creazione di anisotropia materiale. L’anisotropia può anche formarsi congelando il nucleo interno e sedimentazione sulla sua superficie. L’eterogeneità su piccola scala, per esempio, può fondere i canali o il tessuto di exsolution e può anche generare l’anisotropia apparente.

La spiegazione convenzionale della formazione del nucleo interno solido comporta un raffreddamento lento e una cristallizzazione., Poiché la temperatura di fusione aumenta con la pressione, il nucleo si solidificherà dal centro verso l’esterno. Ma questo effetto significa anche che quando la pressione aumenta a causa dell’accrescimento, il nucleo può congelare la pressione quando la Terra raggiunge una dimensione critica, a meno che non ci sia una grande quantità di surriscaldamento. Sebbene sappiamo che il campo magnetico è antico e che un nucleo interno solido e crescente può essere essenziale per la sua esistenza, è possibile che eventi catastrofici come l’impatto che forma la Luna possano aver causato la riforma del nucleo interno una o più volte., Il surriscaldamento iniziale e la crescita episodica risolveranno probabilmente alcuni degli attuali problemi energetici (rif. 20, e D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price, e M. Gillan, lavoro inedito). Un nucleo interno crescente è necessario per alimentare la dinamo corrente, ma il raffreddamento rapido potrebbe aver alimentato l’antica dinamo (D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price e M. Gillan, lavoro inedito). Il nucleo interno può, quindi, essere molto più giovane della Terra. L’eterogeneità e l’anisotropia del nucleo interno possono aiutare a vincolare la sua storia apparentemente complessa.,

Il nucleo interno ha cuscinetto su un’ampia varietà di problemi geofisici, geochimici (23), campo magnetico e planetari. L’anisotropia non è solo un parametro importante che influisce sulla dinamica del nucleo, ma consente anche di caratterizzare e monitorare il nucleo interno. L’anisotropia è diventata uno strumento indispensabile per i sismologi, piuttosto che il fastidio che una volta era considerato. E la prospettiva di trovare differenze la prossima volta che guardiamo offre un’eccitazione insolita nella maggior parte degli sforzi di mappatura di routine.