miniatura|Esquema de la Terra des del nucli a l'exosfera. Parcialment a escala. El nucli intern de la Terra és la capa geològica més interna i calenta segons estudis sismològics. És una esfera principalment sòlida d'uns 1.216 quilòmetres de radi, o un 70% del de la Lluna. Es creu que consisteix en un aliatge de ferro i níquel, i que podria tenir una temperatura similar a la de la superfície del Sol (aproximadament 5.778 K (5505 °C).
No hi ha mostres del nucli de la Terra accessibles per a la mesura directa, com n'hi ha del mantell terrestre. La informació sobre el nucli de la Terra prové principalment de l'anàlisi de les ones sísmiques i el camp magnètic de la Terra.
Història científica L'existència d'un nucli intern, diferenciat del nucli extern líquid va ser descoberta el 1936 per la sismòloga Inge Lehmann a partir d'observacions d'ones sísmiques generades per terratrèmols de Nova Zelanda. Va observar que les ones sísmiques es reflecteixen al límit del nucli interior i poden ser detectades per sismògrafs sensibles a la superfície de la Terra. Va inferir un radi de 1400 km per al nucli interior, no lluny del valor acceptat actualment de 1221 km. El 1938, Beno Gutenberg i Charles Richter van analitzar un conjunt de dades més extens i van estimar el gruix del nucli exterior en 1950 km amb una transició pronunciada però contínua de 300 km de gruix cap al nucli interior; que implica un radi entre 1230 i 1530 km per al nucli interior.
Uns anys més tard, el 1940, es va plantejar la hipòtesi que aquest nucli interior fos de ferro massís. El 1952, Francis Birch va publicar una anàlisi detallada de les dades disponibles i va concloure que el nucli interior era probablement ferro cristal·lí.
El límit entre els nuclis interior i exterior s'anomena de vegades la «discontinuïtat de Lehmann», encara que el nom sol referir-se a una altra discontinuïtat. El nom «Bullen» o «discontinuïtat de Lehmann-Bullen», per Keith Edward Bullen ha estat proposat, però no s'utilitza sovint. La rigidesa del nucli interior es va confirmar el 1971. Adam Dziewonski i James Freeman Gilbert van establir que les mesures dels modes normals de vibració de la Terra causats per grans terratrèmols eren coherents amb un nucli exterior líquid. El 2005, es van detectar ones de cisalla passant pel nucli intern; aquestes afirmacions van ser inicialment controvertides, però ara estan guanyant acceptació.
Fonts de dades Ones sísmiques miniatura|Velocitat sísmica de compressió P i cisalla S a l'interior de la Terra segons el model PREM. La llavor és la regió més profunda a , etiquetat 6 per sota del nucli exterior, líquid, i que no permet la propagació de les ones de cisalla S. Gairebé totes les mesures directes que tenen els científics sobre les propietats físiques del nucli interior són les ones sísmiques que el travessen. Les ones més informatives les generen terratrèmols profunds, 30 km o més per sota de la superfície de la Terra, on el mantell és relativament més homogeni. Les registren els sismògrafs a mesura que arriben a la superfície, arreu del planeta.
Les ones sísmiques inclouen ones «P» (primàries o de pressió), les ones de compressió que poden viatjar a través de materials sòlids o líquids i les ones «S» (secundàries o de cisalla) ones transversals que només es poden propagar a través de sòlids elàstics rígids. Les dues ones tenen velocitats diferents i són esmorteïdes a diferents velocitats mentre viatgen pel mateix material.
Són especialment interessants les anomenades ones «PKiKP»: ones de pressió (P) que comencen a prop de la superfície, travessen el límit mantell-nucli, viatgen a través del nucli (K), es reflecteixen al límit interior del nucli (i), creuen de nou el nucli líquid (K), creuen de nou al mantell i es detecten com a ones de pressió (P) a la superfície. També són interessants les ones «PKIKP», que viatgen a través del nucli interior (I) en lloc de ser reflectides a la seva superfície (i). Aquests senyals són més fàcils d'interpretar quan el camí des de la font fins al detector està a prop d'una línia recta, és a dir, quan el receptor està just per sobre de la font per a les ones PKiKP reflectides, i antípodal per a les ones PKiKP transmeses.
Tot i que les ones S no poden arribar o sortir del nucli interior com a tal, les ones P es poden convertir en ones S i viceversa, ja que toquen el límit entre el nucli interior i l'exterior en un angle oblic. Les ones "PKJKP" són similars a les ones PKIKP, però es converteixen en ones S quan entren al nucli intern, viatgen a través d'ell com a ones S (J) i es tornen a convertir en ones P en sortir del nucli intern. Gràcies a aquest fenomen, se sap que el nucli intern pot propagar ones S i, per tant, ha de ser sòlid.
Altres fonts Altres fonts d'informació sobre el nucli intern inclouen el camp magnètic de la Terra. Tot i que sembla que es genera principalment per corrents fluids i elèctrics al nucli exterior, aquests corrents es veuen fortament afectats per la presència del nucli intern sòlid i per la calor que en surt. (Tot i que està fet de ferro, el nucli no és ferromagnètic, perquè està per sobre de la temperatura de Curie.) Hi ha a més la massa de la Terra, el seu camp gravitatori i el seu inèrcia angular, que són afectats per la densitat i les dimensions de les capes interiors. Finalement, les freqüències naturals d'oscil·lació i modes de totes les oscil·lacions de la Terra, quan grans terratrèmols fan que el planeta «soni» com una campana. Aquestes oscil·lacions també depenen molt de la densitat, la mida i la forma de les capes interiors.
Propietats físiques Velocitat de l'ona sísmica La velocitat de les ones S al nucli varia suaument d'aproximadament 3,7 km/s al centre a aproximadament 3,5 km/s a la superfície. Això és considerablement menor que la velocitat de les ones S a l'escorça inferior (aproximadament 4,5 km/s) i menys de la meitat de la velocitat al mantell profund, just per sobre del nucli extern (aproximadament 7,3 km/s).
La velocitat de les ones P al nucli també varia suaument a través del nucli intern, des d'aproximadament 11,4 km/s al centre a aproximadament 11,1 km/s a la superfície. Per tant, la velocitat cau abruptament al límit del nucli intern-extern a aproximadament 10,4 km/s.
Grandària i forma Sobre la base de les dades sísmiques, s'estima que el radi del nucli intern és d'aproximadament 1.221 km (2.442 km de diàmetre), que és aproximadament el 19% del radi de la Terra i el 70% del radi de la Lluna. Té un volum d'aproximadament 7,6 mil milions de km cúbics () que és aproximadament 1/140 (0,7%) del volum de tota la Terra.
Es creu que tingui una forma que és molt a prop d'un el·lipsoide aplatat de revolució, com la superfície de la Terra, però més esfèrica: l'aplanament f s'estima entre 1/400 i 1/416 significa que el radi al llarg de l'eix de la Terra s'estima aproximadament 3 km més curts que el radi a l'equador. En comparació, l'aplanament de la Terra com un tot és molt a prop de 1/300 i el radi polar és 21 km més curts que l'equatorial.
Pressió i gravetat La pressió al nucli intern de la Terra és lleugerament més grosse que al límit entre els nuclis extern i intern: oscil·la entre aproximadament 330 a 360 gigapascals (3.300.000 a 3.600.000 atm). L'acceleració de la gravetat a la superfície del nucli intern es pot calcular perquè sigui 4,3 m/s2; que és menys de la meitat del valor a la superfície de la Terra (9,81 m/s2).
Densitat i massa Es creu que la densitat del nucli intern varia suaument d'aproximadament 13,0 kg/L (= g/cm³ = t/m³) al centre a aproximadament 12,8 kg/L a la superfície. Com passa amb altres propietats del material, la densitat cau sobtadament en aquesta superfície: es creu que el líquid just per sobre del nucli intern és significativament menys dens, aproximadament a 12,1 kg/L. A manera de comparació, la densitat mitjana als 100 km superiors de la Terra és aproximadament 3,4 kg/L.
Aquesta densitat implica una massa d'aproximadament 1023 kg per al nucli intern, que és 1/60 (1,7%) de la massa de tota la Terra.
Temperatura La temperatura del nucli interior es pot estimar a partir de la temperatura de fusió del ferro impur a la pressió sota la qual es troba el ferro al límit del nucli interior (uns 330 GPa). A partir d'aquestes consideracions, l'any 2002, D. Alfè i altres en van estimar la temperatura entre 5.400 K (5.100 °C) i 5.700 K (5.400 °C). Tanmateix, l'any 2013, S. Anzellini i altres van obtenir experimentalment una temperatura substancialment més alta per al punt de fusió del ferro, 6.230 ± 500 K.
El ferro pot ser sòlid a temperatures tan altes només perquè pressions d'aquesta magnitud n'augmenten dràsticament la temperatura de fusió com ho mostra l'Equació de Clausius-Clapeyron.
Camp magnètic El 2010, Bruce Buffett va determinar que el camp magnètic mitjà al nucli exterior líquid és d'uns 2,5 mil·litesles (25 gauss), que és unes 40 vegades la força màxima a la superfície. Va partir del fet conegut que la Lluna i el Sol causen marees al nucli exterior líquid, tal com ho fan als oceans a la superfície. Va observar que el moviment del líquid a través del camp magnètic local crea corrents elèctrics, que dissipen energia en forma de calor segons la llei d'Ohm. Aquesta dissipació, al seu torn, esmorteeix els moviments de les marees i explica les anomalies detectades prèviament en la nutació de la Terra. A partir de la magnitud d'aquest darrer efecte, va poder calcular el camp magnètic. El camp dins del nucli interior presumiblement té una força similar. Tot i que és indirecta, aquesta mesura no depèn significativament de cap hipòtesi sobre l'evolució de la Terra o la composició del nucli.
Viscositat Tot i que les ones sísmiques es propaguen pel nucli com si fos sòlid, les mesures no poden distingir entre un material sòlid d'un extremadament viscós. Per tant, alguns científics s'han plantejat si pot haver-hi convecció lenta al nucli intern (com es creu que existeix al mantell). Això podria ser una explicació de l'anisotropia detectada en estudis sísmics. El 2009, B. Buffett va estimar la viscositat del nucli intern en 1018 Pa, que és un sextilió de vegades la viscositat de l'aigua, i més de mil milions de vegades la de la brea.
Composició Encara no hi ha cap prova directa sobre la composició del nucli intern. No obstant això, basant-nos en la prevalença relativa de diversos elements químics al sistema solar, la teoria de la formació planetària, i les restriccions imposades o implicades per la química de la resta del volum de la Terra, es creu que el nucli intern consisteix principalment en un aliatge de ferro-níquel.
A les pressions conegudes i les temperatures estimades del nucli, es preveu que el ferro pur podria ser sòlid, però la densitat superaria la densitat coneguda del nucli en aproximadament uns 3%. Aquest resultat implica la presència d'elements més lleugers al nucli, com ara silici, oxigen o sofre, a més de la probable presència de níquel. Estimacions de 2007 permeten fins a un 10% de níquel i un 2–3% d'elements més lleugers no identificats. Segons els càlculs de D. Alfè i altres, el nucli exterior líquid conté entre el 8 i el 13% d'oxigen, però a mesura que el ferro cristal·litza per formar el nucli intern, l'oxigen es queda majoritàriament al líquid.
Els experiments de laboratori i l'anàlisi de les velocitats de les ones sísmiques semblen indicar que el nucli intern consisteix específicament en ε-ferro, una forma cristal·lina del metall amb l'estructura hexagonal tancada. Aquesta estructura encara pot admetre la inclusió de petites quantitats de níquel i altres elements.
Creixement miniatura|upright=1.25|Esquema del moviment del nucli interior i exterior de la Terra i del camp magnètic que genera.