Een theoretische minerale fysica-benadering op basis van de ab initio-methoden werd aangenomen om de viscositeit van hexagonale, dicht opeengepakt ijzer bij de extreme drukken en temperaturen die overeenkomen met de binnenste kern van de aarde. De resultaten blijken geofysische waarnemingen van grote fluctuaties in de rotatiesnelheid van de binnenkern te ontkennen. De verkregen viscositeit sluit ook translatie van de binnenkern uit en biedt ondersteuning dat de dynamiek van de binnenkern kan worden bepaald door convectie in vaste toestand.

De binnenkern van de aarde, verborgen 5150 km onder onze voeten, is voornamelijk samengesteld uit vast ijzer en wordt blootgesteld aan drukken tussen 329 en 364 GPa (die ~ 3,3 tot 3,6 miljoen keer die van atmosferische druk zijn) en temperaturen van ~ 5000 tot ~ 6000 K (afbeelding 1). Seismologische waarnemingen onthulden eerder dat de snelheid van seismische golven die door aardbevingen worden geproduceerd sterk afhankelijk zijn van hun richting wanneer ze door de binnenkern reizen, een fenomeen dat bekend staat als 'seismische anisotropie'. Dit komt door de uitlijning van de ijzerkristallen, iets dat kan worden veroorzaakt door vervorming in de binnenkern. Meer specifieke variaties in seismische anisotropie tussen het oostelijk en westelijk halfrond van de binnenkern zijn ook gemeld. Andere seismische studies suggereren bovendien "duidelijke fluctuaties in de rotatiesnelheid van de binnenkern" met betrekking tot die van de aardkorst en mantel. Hoewel eerdere geodynamische modellen voorspellen dat de hemisferische asymmetrie van de seismische anisotropiestructuur kan worden verklaard door "een translatiebeweging van de binnenste kern" en dat variaties in de lengte van een dag kunnen worden verklaard door de zwaartekrachtkoppeling tussen de mantel en een zwakke binnenste kern, de oorzaken en mechanismen van deze raadselachtige kenmerken blijven onduidelijk omdat hun modellen afhankelijk zijn van de slecht beperkte "viskeuze sterkte" van ijzer in de extreme omstandigheden van het centrum van de aarde.

De viscositeit van de materialen hangt af van de manier waarop ijzerkristallen plastische vervorming ondergaan als reactie op een mechanische spanning, en vervormingsmechanismen die "kruip" worden genoemd, worden over het algemeen verwacht bij hoge temperaturen en kleine spanningen (afbeelding 2). Kruip van vaste kristallen wordt in het algemeen opgevangen door de beweging van onvolmaakte rangschikkingen van atomen in de kristalstructuren die "roosterdefecten" worden genoemd en wordt in het bijzonder beperkt door "atomaire diffusie" onder de omstandigheden van de binnenkern. Dergelijke omstandigheden veroorzaken technische problemen bij laboratoriumexperimenten, waardoor metingen van de viscositeit van de binnenkern momenteel onmogelijk zijn. In plaats daarvan, Dr. Sebastian Ritterbex, een postdoctoraal onderzoeker, en Prof. Taku Tsuchiya van het Geodynamics Research Center, Ehime Universiteit, toegepaste computersimulaties op atomaire schaal gebaseerd op de theorie van de kwantummechanica, genaamd "de ab initio methoden, " om atomaire diffusie te kwantificeren in hexagonaal dicht gepakt (hcp) ijzer, de meest waarschijnlijke fase van ijzer stabiel in de binnenkern (Afbeelding 1).

Deze theoretische benadering van minerale fysica kan elektronische eigenschappen en chemische bindingen zeer nauwkeurig berekenen en is dus behoorlijk krachtig in het onderzoeken van materiaaleigenschappen in extreme omstandigheden die moeilijk te hanteren zijn door experimenten. In dit onderzoek, de techniek werd toegepast om de zelfdiffusie van ijzer te berekenen door energetische aspecten van de vorming en migratie van puntdefecten. De resultaten worden toegepast op macroscopische modellen van intrakristallijne plasticiteit om het snelheidsbeperkende kruipgedrag van hcp-ijzer numeriek te berekenen. De modellering levert bewijs dat de viscositeit van hcp-ijzer lager is dan gepostuleerd in de eerdere geofysische modelleringen en bepaald door het transport van afschuiving door het kristalrooster, een mechanisme voor plastische vervorming dat bekend staat als "dislocatiekruip" (afbeelding 2), wat kan leiden tot de vorming van kristallografische voorkeursoriëntaties. Dit suggereert dat plastische stroom van hcp-ijzer inderdaad zou kunnen bijdragen aan de kristaluitlijning en dus de seismische anisotropie in de binnenkern.

De resultaten werpen nieuw licht op de raadselachtige eigenschappen van de binnenkern. De onderzoekers tonen aan dat de lage viscositeit van hcp-ijzer afgeleid van de theoretische minerale fysica-benadering consistent is met een sterke koppeling tussen de binnenkern en de mantel die compatibel is met geofysische waarnemingen van kleine fluctuaties in de rotatiesnelheid van de binnenkern. De resultaten voorspellen bovendien dat de binnenkern te zwak is om translatiebewegingen te ondergaan, wat betekent dat de hemisferische asymmetrische structuur waarschijnlijk een andere heeft, nog onbekend, oorsprong. In plaats daarvan, mechanische spanningen van tientallen Pa zijn voldoende om hcp-ijzer te vervormen door dislocatiekruip bij extreem lage reksnelheden, vergelijkbaar met de kandidaat-krachten die in staat zijn om convectie in de binnenste kern aan te drijven. De bijbehorende viscositeit is geen constante, maar hangt in plaats daarvan af van de mechanische spanning die op de binnenkern wordt uitgeoefend, een gedrag dat bekend staat als 'niet-Newtoniaanse reologie'. Dit niet-lineaire vervormingsgedrag zal daarom naar verwachting de dynamiek van de binnenkern van de aarde bepalen.

In de toekomst, meer kwantitatieve modelleringen die gebruik maken van de viskeuze eigenschappen van hcp-ijzer, verkregen in deze studie, zouden het begrip van de binnenste kern van de aarde kunnen vergroten.

De studie is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .