La presenza di Mg primordiale può spiegare lo strato sismico a bassa velocità nell’outermost outer core della Terra

Perché il cuore profondo della Terra conta

Lontano sotto i nostri piedi, a più di 2.800 chilometri di profondità, si trova il nucleo esterno liquido della Terra, la regione metallica in movimento che genera il campo magnetico e contribuisce a rendere il pianeta abitabile. Le onde sismiche prodotte dai terremoti rivelano che la parte più alta di questo nucleo esterno trasmette il suono in modo insolitamente lento, formando un misterioso strato a bassa velocità noto come strato E′. Questo articolo esplora se un elemento familiare — il magnesio, comune nelle rocce superficiali della Terra — sia penetrato nel nucleo durante la giovinezza violenta del pianeta e ora possa aiutare a spiegare questo enigmatico strato nascosto.

Una strana zona lenta nelle profondità terrestri

I sismologi modellano l’interno della Terra tracciando come le onde sismiche accelerano o rallentano man mano che attraversano strati diversi. I modelli standard, come il profilo PREM ampiamente usato, descrivono il nucleo esterno come un liquido denso ricco di ferro, leggermente “alleggerito” da piccole quantità di elementi come silicio, ossigeno, zolfo, carbonio e idrogeno. Ma modelli sismici più recenti mostrano che nei primi pochi cento chilometri del nucleo esterno le onde sonore si muovono fino a circa l’1% più lentamente del previsto. Le spiegazioni proposte finora invocavano una stratificazione chimica del nucleo esterno, ma tutti gli elementi “leggeri” abituali tendono ad aumentare la velocità delle onde nel ferro, non a diminuirla. Ciò ha creato un paradosso: sembrava impossibile ottenere uno strato abbastanza lento da corrispondere ai dati sismici e al tempo stesso sufficientemente leggero da rimanere stabilmente stratificato invece di affondare.

Mettere alla prova il magnesio nel ferro liquido

Gli autori si concentrano sul magnesio, un elemento abbondante nel mantello ma ritenuto scarso nel nucleo. Esperimenti ad alta pressione hanno suggerito che una parte del magnesio potrebbe dissolversi nel ferro fuso durante le condizioni estreme della formazione della Terra, in particolare durante l’impatto gigante che ha formato la Luna. Tuttavia, fino ad ora mancavano calcoli robusti su come il magnesio influisca sulla densità e sulla velocità del suono nel ferro liquido alle pressioni e temperature estreme del nucleo esterno. Utilizzando la dinamica molecolare da prima principio, un metodo di simulazione basato sulla meccanica quantistica, i ricercatori hanno modellato ferro liquido miscelato con diverse piccole frazioni di magnesio a pressioni fino a 340 gigapascal e temperature fino a 7.500 kelvin — condizioni corrispondenti a quelle profonde all’interno della Terra.

Come il magnesio modifica le proprietà del nucleo

Le simulazioni mostrano che all’aumentare del magnesio nel ferro liquido diminuiscono sia la densità sia la velocità delle onde di compressione (simili al suono) in modo quasi lineare. L’effetto sulla velocità del suono è modesto ma, cosa cruciale, è opposto a quello degli altri elementi leggeri, i quali tendono a far viaggiare le onde più velocemente. Combinando i nuovi risultati su ferro–magnesio con dati precedenti per altri elementi leggeri, gli autori hanno costruito modelli di composizione del nucleo esterno che devono contemporaneamente rispettare densità e velocità sismiche e limiti chimici ragionevoli sulla quantità di ciascun elemento che il nucleo può contenere. Hanno testato sia un nucleo esterno uniformemente mescolato sia una struttura a due strati con uno strato superiore distinto. In tutti i modelli riusciti è richiesto il magnesio nel nucleo esterno, con valori tipici tra circa 0,5 e 1,8 percento in peso, e con una concentrazione particolare nei primi alcuni centinaia di chilometri — esattamente dove si osserva lo strato E′.

Collisioni cosmiche e una crosta ricca di magnesio

Questi risultati suggeriscono una storia d’origine drammatica per lo strato E′. Prima dell’impatto che ha formato la Luna, la Terra probabilmente possedeva già un nucleo di ferro liquido contenente un po’ di silicio e idrogeno ma relativamente poco magnesio. L’impatto gigante avrebbe riscaldato parti del pianeta a temperature estreme, permettendo al magnesio in eccesso, assieme a silicio e ossigeno, di dissolversi nel metallo che poi affondò verso il nucleo preesistente. Poiché questo metallo ricco di magnesio era relativamente leggero, si accumulò formando una falda stratificata in cima al nucleo esterno. Nel corso di miliardi di anni di raffreddamento, alcuni componenti, come la silice, l’acqua, l’ossido di ferro e forse l’ossido di magnesio, possono aver cristallizzato o esolto lentamente tornando nel mantello. Quel che rimase fu un nucleo esterno superiore arricchito in magnesio e leggermente impoverito in ossigeno — precisamente il tipo di composizione che risulterebbe leggermente più leggera e porterebbe a onde sismiche più lente, corrispondendo allo strato E′.

Cosa significa per il nostro pianeta

Per un non specialista, il nucleo può sembrare remoto, ma la sua composizione condiziona il campo magnetico della Terra, il flusso di calore e l’evoluzione a lungo termine del pianeta. Questo studio mostra che una quantità relativamente piccola di magnesio primordiale nel nucleo esterno può risolvere un enigma di lunga data riguardo allo strato E′ a bassa velocità senza infrangere vincoli chimici o sismici fondamentali. Aiuta anche a spiegare perché il mantello silicato della Terra è un po’ più povero di magnesio rispetto ad alcune meteoriti primitive, implicando che una frazione misurabile di magnesio sia nascosta in profondità nel nucleo. In termini semplici, gli autori sostengono che tracce di magnesio, fornite e riorganizzate durante il colossale impatto che ha formato la Luna, abbiano lasciato una sottile pelle ricca di magnesio sulla superficie superiore del nucleo esterno — sottile ma sufficientemente incisiva da essere rilevata dalle onde dei terremoti in tutto il pianeta.

Citazione: Liu, T., Jing, Z. Presence of primordial Mg can explain the seismic low-velocity layer in the Earth’s outermost outer core. Nat Commun 17, 1886 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68572-4

Parole chiave: Nucleo terrestre, magnesio, onde sismiche, impatto gigante, composizione del nucleo esterno