La densità media della Terra è 5,515 g/cm3. Poiché la densità media del materiale di superficie è solo circa 3,0 g/cm3, dobbiamo concludere che i materiali più densi esistono all’interno del nucleo della Terra.Questo risultato è noto fin dall’esperimento Schiehallion, eseguito negli anni 1770.Charles Hutton nel suo rapporto del 1778 concluse che la densità media della Terra deve essere circa 9 5 {displaystyle {\tfrac {9}{5}}}

quella della roccia superficiale, concludendo che l’interno della Terra deve essere metallico. Hutton stimò che questa porzione metallica occupasse circa il 65% del diametro della Terra.La stima di Hutton sulla densità media della Terra era ancora troppo bassa di circa il 20%, a 4,5 g/cm3.Henry Cavendish nel suo esperimento sulla bilancia di torsione del 1798 trovò un valore di 5. 45 g/cm3, entro l’1%.45 g/cm3, entro l’1% del valore moderno.Le misurazioni sismiche mostrano che il nucleo è diviso in due parti, un nucleo interno “solido” con un raggio di ≈1.220 km e un nucleo esterno liquido che si estende oltre ad esso fino ad un raggio di ≈3.400 km. Le densità sono tra 9.900 e 12.200 kg/m3 nel nucleo esterno e 12.600-13.000 kg/m3 nel nucleo interno.

Il nucleo interno fu scoperto nel 1936 da Inge Lehmann e si crede generalmente che sia composto principalmente da ferro e un po’ di nichel. Poiché questo strato è in grado di trasmettere onde di taglio (onde sismiche trasversali), deve essere solido. L’evidenza sperimentale è stata a volte incoerente con gli attuali modelli cristallini del nucleo. Altri studi sperimentali mostrano una discrepanza sotto alta pressione: gli studi sull’incudine di diamante (statici) a pressioni del nucleo producono temperature di fusione che sono circa 2000 K al di sotto di quelle degli studi shock laser (dinamici). Gli studi laser creano plasma, e i risultati sono suggestivi del fatto che il vincolo delle condizioni del nucleo interno dipenderà dal fatto che il nucleo interno sia un solido o un plasma con la densità di un solido. Questa è un’area di ricerca attiva.

Nelle prime fasi della formazione della Terra, circa 4,6 miliardi di anni fa, la fusione avrebbe fatto affondare le sostanze più dense verso il centro in un processo chiamato differenziazione planetaria (vedi anche la catastrofe del ferro), mentre i materiali meno densi sarebbero migrati verso la crosta. Si ritiene quindi che il nucleo sia in gran parte composto da ferro (80%), insieme a nichel e uno o più elementi leggeri, mentre altri elementi densi, come piombo e uranio, sono troppo rari per essere significativi o tendono a legarsi a elementi più leggeri e quindi rimangono nella crosta (vedi materiali felsici). Alcuni hanno sostenuto che il nucleo interno potrebbe avere la forma di un singolo cristallo di ferro.

In condizioni di laboratorio un campione di lega ferro-nichel è stato sottoposto a pressioni simili al nucleo stringendolo in una morsa tra 2 punte di diamante (cella a incudine di diamante), e poi riscaldandolo a circa 4000 K. Il campione è stato osservato con i raggi X, e ha fortemente sostenuto la teoria che il nucleo interno della Terra fosse costituito da cristalli giganti che correvano da nord a sud.

Il nucleo esterno liquido circonda il nucleo interno e si ritiene che sia composto da ferro mescolato a nichel e tracce di elementi più leggeri.

Alcuni hanno ipotizzato che la parte più interna del nucleo sia arricchita in oro, platino e altri elementi siderofili.

La composizione della Terra presenta forti somiglianze con quella di alcune meteoriti condrite e persino con alcuni elementi presenti nella parte esterna del Sole. A partire dal 1940, gli scienziati, tra cui Francis Birch, hanno costruito la geofisica sulla premessa che la Terra è come le condriti ordinarie, il tipo più comune di meteorite osservato con impatto sulla Terra. Questo ignora le meno abbondanti condriti enstatite, che si sono formate in condizioni di ossigeno disponibile estremamente limitato, portando alcuni elementi normalmente ossifili ad esistere parzialmente o interamente nella porzione di lega che corrisponde al nucleo della Terra.

La teoria della dinamo suggerisce che la convezione nel nucleo esterno, combinata con l’effetto Coriolis, dà origine al campo magnetico della Terra. Il nucleo interno solido è troppo caldo per mantenere un campo magnetico permanente (vedi temperatura di Curie) ma probabilmente agisce per stabilizzare il campo magnetico generato dal nucleo esterno liquido. Si stima che il campo magnetico medio nel nucleo esterno della Terra misuri 25 Gauss (2,5 mT), 50 volte più forte del campo magnetico in superficie.

Prove recenti hanno suggerito che il nucleo interno della Terra potrebbe ruotare leggermente più velocemente del resto del pianeta; nel 2005 un team di geofisici ha stimato che il nucleo interno della Terra ruota circa da 0,3 a 0,5 gradi all’anno più velocemente; tuttavia, studi più recenti nel 2011 non hanno sostenuto questa ipotesi. Altri possibili movimenti del nucleo sono oscillatori o caotici.

L’attuale spiegazione scientifica del gradiente di temperatura della Terra è una combinazione di calore rimasto dalla formazione iniziale del pianeta, dal decadimento degli elementi radioattivi e dal congelamento del nucleo interno.