Esses misteriosos terremotos se originam entre 400 e 700 quila´metros abaixo dasuperfÍcie da Terra e foram registrados com magnitudes de até8,3 na escala Richter.

Xanthippi Markenscoff, um distinto professor do Departamento de Engenharia Meca¢nica e Aeroespacial da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs, éa pessoa que resolveu esse mistanãrio. Seu artigo "Instabilidades de colapso de volume em terremotos profundos: uma fonte de cisalhamento nucleada e impulsionada por pressão" aparece no Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

O termo terremoto de foco profundo se refere ao fato de que este tipo de terremoto se origina nas profundezas do manto da Terra, onde as forças de pressão são muito altas. Desde que os terremotos de foco profundo foram identificados pela primeira vez em 1929, os pesquisadores vão tentando entender quais processos os causam. Os pesquisadores pensaram que as altas pressaµes produziriam uma implosão que produziria intuitivamente ondas de pressão. No entanto, eles não foram capazes de conectar os pontos entre a alta pressão e o tipo especa­fico de ondas sa­smicas - chamadas ondas sa­smicas de cisalhamento (ou distorção) - produzidas por terremotos de foco profundo. (Vocaª pode sentir a energia de distorção se segurar seu antebraa§o e depois torcaª-lo.)

Em seu novo artigo, Markenscoff completa sua explicação desse mistério que ocorre sob pressaµes ultra-altas. Ela desvendou o mistério em uma sanãrie de artigos a partir de 2019. Além disso, sua solução oferece uma visão sobre muitos outros fena´menos, como impactos planetarios e formação planeta¡ria que compartilham processos geofa­sicos semelhantes.

"Este éum exemplo perfeito de como a modelagem matemática profunda rigorosamente enraizada na meca¢nica e na física pode nos ajudar a resolver os mistanãrios da natureza. O trabalho do professor Markenscoff pode ter um impacto profundo não apenas em como entendemos terremotos de foco profundo, mas também em como podemos controla¡-los usar transformações de fase dina¢mica em materiais de engenharia para nosso benefa­cio ", disse Huajian Gao, um distinto professor da Universidade Tecnola³gica de Nanyang de Cingapura e editor do Jornal de Meca¢nica e Fa­sica dos Sa³lidos, onde o artigo de Markenscoff aparece.

a‰ bem conhecido que as altas pressaµes que existem entre 400 e 700 quila´metros abaixo dasuperfÍcie da terra podem fazer com que a rocha de olivina passe por uma transformação de fase em um tipo de rocha mais densa chamada espinanãlio. Isso éana¡logo a como o carva£o pode se transformar em diamante, o que também acontece nas profundezas do manto da Terra.

Ir de olivina para espinanãlio mais denso leva a reduções no volume da rocha a  medida que os a¡tomos se movem mais pra³ximos uns dos outros sob grande pressão. Isso pode ser chamado de "colapso de volume". Este colapso de volume e a "falha transformacional" associada foram considerados a causa predominante para terremotos de foco profundo. No entanto, atéagora, não havia nenhum modelo baseado no colapso de volume que previsse as ondas sa­smicas de cisalhamento (distorção) que realmente chegam a superfÍcie da Terra durante terremotos de foco profundo. Por esta raza£o, outros modelos também foram considerados, e o estado de coisas permaneceu estagnado.

Markenscoff agora resolveu esse mistério usando a física e a meca¢nica matemática fundamental, descobrindo instabilidades que ocorrem em pressaµes muito altas. Uma instabilidade diz respeito a  forma da regia£o em expansão da rocha em transformação e a outra instabilidade diz respeito ao seu crescimento.

Para que as regiaµes em expansão dessa transformação de fase de olivina em espinela cresa§am, essas regiaµes de transformação com grande densificação assumira£o uma forma achatada "semelhante a uma panqueca" que minimiza a energia necessa¡ria para a regia£o densificada se propagar no meio não transformado a  medida que cresce ampla. Este éum modo de quebra de simetria que pode ocorrer sob as pressaµes muito altas que existem onde os terremotos de foco profundo se originam, e éessa quebra de simetria que cria a deformação de cisalhamento responsável pelas ondas de cisalhamento que atingem asuperfÍcie da Terra. Anteriormente, os pesquisadores presumiam uma expansão esfanãrica de preservação de simetria, o que não resultaria nas ondas sa­smicas de cisalhamento. Eles não sabiam que a simetria poderia ser quebrada.

"Romper a simetria esfanãrica da forma da rocha em transformação minimiza a energia necessa¡ria para que a regia£o de propagação da transformação de fase cresa§a", disse Markenscoff. "Vocaª não gasta energia para mover asuperfÍcie de uma grande esfera, mas apenas o pera­metro."

Além disso, Markenscoff explicou que dentro da regia£o em expansão de transformação de fase da rocha, não hámovimento departículas e nem energia cinanãtica (éuma "lacuna"), e, assim, a energia que irradia para fora émaximizada. Isso explica por que as ondas sa­smicas podem chegar a superfÍcie, em vez de grande parte da energia se dissipar no interior da Terra.

O modelo anala­tico de Markenscoff para os campos de deformação da fonte sa­smica em expansão ébaseado na generalização dina¢mica da inclusão seminal de Eshelby (1957) que satisfaz o teorema da lacuna (Atiya et al, 1970). A energanãtica da regia£o em expansão da transformação de fase égovernada pelo teorema da física tea³rica de Noether (1918)atravanãs do qual ela obteve as instabilidades que criam uma avalanche crescente e rápida de volume em colapso sob pressão. Esta éa segunda instabilidade descoberta (em relação ao crescimento): uma vez que uma regia£o achatada densificada arbitrariamente pequena tenha sido acionada, sob uma pressão cra­tica ela continuara¡ a crescer sem precisar de mais energia. (Ele simplesmente continua colapsando "como um castelo de cartas".) Assim, o mistério éresolvido: embora seja uma fonte de cisalhamento, o que impulsiona a propagação do terremoto de foco profundo éa pressão que atua na mudança de volume.

Quando solicitada a refletir sobre sua descoberta de que terremotos de foco profundo podem ser descritos com os teoremas que são a base da física matemática, ela disse: "Sinto que me vinculei a  natureza. Descobri a beleza de como a natureza funciona. a‰ a primeira vez na minha vida. Antes de colocar um pequeno passo nos passos de outra pessoa. Senti uma alegria imensa. "

Os terremotos de foco profundo são apenas um dos fena´menos nos quais essas instabilidades se manifestam. Eles também ocorrem em outros fena´menos de transformações de fase dina¢mica sob altas pressaµes, como impactos planetarios e amorfização. Hoje, existem novas instalações experimentais, como o National Ignition Facility (NIF), administrado pelo Lawrence Liver National Laboratory, no qual os pesquisadores podem estudar materiais sob pressaµes extremamente altas que antes eram impossa­veis de testar.

O novo trabalho de Markenscoff fornece uma demonstração importante e um lembrete de que obter uma compreensão mais profunda dos mistanãrios da natureza muitas vezes requer os insights que podem ser obtidos aproveitando os fundamentos da física matemática junto com a pesquisa experimental feita em condições extremas.

Na verdade, Markenscoff co-organizou dois workshops financiados pela National Science Foundation (NSF) na UC San Diego em 2016 e 2019, que reuniu geofa­sicos e sisma³logos com meca¢nicos para garantir que essas comunidades de pesquisa permanea§am cientes das metodologias e técnicas desenvolvidas em meca¢nica.

“Nossos sistemas de ensino devem continuar investindo no ensino dos fundamentos da ciência como pilares para o avanço do conhecimento, que pode ser alcana§ado pela convergaªncia interdisciplinar de teoria, experimentos e ciência de dados”, disse Markenscoff.

Ela também destacou a importa¢ncia do apoio a  pesquisa que recebeu ao longo dos anos da US National Science Foundation (NSF).

"Saber que meu gerente de programa da NSF acreditava que era possí­vel resolver esse 'mistanãrio' e me financiar, reforçou minha confianção e minha determinação em perseverar", disse Markenscoff. "Aponto isso como um lembrete para todos nós. Tambanãm éfundamental que demos um incentivo atencioso e ponderado aos nossos alunos e colegas. Saber que as pessoas que vocêrespeita acreditam em vocêe no seu trabalho pode ser muito poderoso."