Un immenso serbatoio nascosto al centro del pianeta
Molto al di sotto dei nostri piedi, secondo le ricerche più recenti, si celerebbe una riserva colossale di idrogeno capace di rivoluzionare la nostra comprensione sull'origine dell'acqua. Per la prima volta, gli scienziati hanno stimato con precisione quante quantità di idrogeno potrebbero trovarsi intrappolate direttamente nel nucleo terrestre.
I geofisici sospettavano da anni che il nucleo della Terra contenesse, accanto a ferro e nichel, anche elementi più leggeri. Ma sono stati i più recenti esperimenti di laboratorio a rivelare un risultato davvero sorprendente: l'idrogeno presente potrebbe essere sufficiente a riempire da 9 fino a 45 oceani paragonabili all'attuale Oceano Mondiale.
Queste scoperte hanno implicazioni profonde non solo per la comprensione del nostro pianeta, ma anche per la ricerca di mondi abitabili al di fuori del Sistema Solare. Se la Terra riesce a nascondere la maggior parte della sua acqua nel profondo delle sue viscere, un meccanismo simile potrebbe funzionare anche in lontani esopianeti rocciosi.
Dal mistero ai modelli dettagliati: la storia del nucleo terrestre
La conoscenza dell'interno del pianeta è relativamente recente. Solo con lo sviluppo della sismologia agli inizi del Novecento è stato possibile "vedere" la Terra in sezione. Negli anni Trenta del secolo scorso, l'analisi delle onde sismiche rivelò che al centro si trovava una sfera solida di metallo circondata da uno strato liquido: il nucleo interno e quello esterno.
Analizzando la velocità delle onde sismiche, i ricercatori poterono calcolare la densità di queste zone profonde. Confrontando i dati con la composizione dei meteoriti ferrosi, emerge un quadro apparentemente semplice: il nucleo è composto principalmente da ferro e nichel. Col tempo, tuttavia, risultò evidente che questo non bastava a spiegare i valori di densità misurati. Mancava qualcosa di più leggero.
A partire dagli anni Sessanta, i geofisici iniziarono a sospettare che il nucleo dovesse contenere anche elementi leggeri: zolfo, silicio, ossigeno, carbonio e forse idrogeno. Il problema è che non è possibile raggiungere il nucleo direttamente, quindi tutto dipende da indizi indiretti e misurazioni estremamente precise.
L'idrogeno è l'elemento più leggero e più piccolo di tutti. Penetra nei minerali, si sposta con facilità ed è difficile da rilevare nelle misurazioni. Nello studio della struttura terrestre si comporta come rumore di fondo in dati già fragili: singole frazioni percentuali di massa fanno una differenza enorme, ma stimarle con esattezza è tutt'altro che semplice.
Perché l'idrogeno nel nucleo è così difficile da rilevare
A complicare ulteriormente le cose, tutti i dati sul nucleo sono indiretti. Gli scienziati si basano su:
- registrazioni delle onde sismiche generate dai terremoti
- misurazioni della gravità e del momento di inerzia del pianeta
- esperimenti ad alta pressione su campioni di metalli e rocce
- confronto con meteoriti considerati "frammenti del primo Sistema Solare"
- tomografia a sonda atomica per l'analisi della composizione dei materiali
- simulazioni in incudini di diamante sottoposte a condizioni estreme
Da fonti così frammentate bisogna ricostruire un'immagine coerente. Ogni nuovo esperimento che riesce ad avvicinarsi anche solo un po' alle condizioni esistenti a tre-cinquemila chilometri di profondità vale oro.
Come gli scienziati hanno ricreato il nucleo terrestre in laboratorio
Nelle ricerche più recenti, i geofisici hanno deciso di affrontare il problema in modo diretto: hanno preso una lega di ferro simile per composizione al nucleo e un materiale che imita l'antico oceano di magma, verificando poi come i vari elementi si distribuiscono tra i due in condizioni estreme.
Per farlo erano necessarie incudini di diamante — strumenti specializzati in cui due diamanti contrapposti comprimono campioni microscopici fino a pressioni misurate in centinaia di gigapascal. I campioni venivano inoltre riscaldati con un laser fino a circa 4.800 gradi Celsius, temperature vicine a quelle reali del nucleo terrestre.
I due componenti chiave dell'esperimento erano: una lega di ferro-nichel con aggiunta di silicio, rappresentante la parte metallica del nucleo, e un materiale silicatico che riproduce l'antico mantello planetario. Una volta stabilizzate le condizioni, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica della tomografia a sonda atomica, che consente di "vedere" la composizione di un campione quasi atomo per atomo, in tre dimensioni.
Grazie a questo approccio è stato possibile calcolare con precisione quanto silicio, ossigeno e idrogeno si trovassero nella parte metallica e quanto in quella silicatica. I dati ottenuti indicano che il nucleo potrebbe contenere tra lo 0,07 e lo 0,36 percento della sua massa sotto forma di idrogeno. Può sembrare pochissimo, ma su scala planetaria si tratta di un numero enorme.
Quante quantità di idrogeno può contenere il nucleo terrestre
Il team ha calcolato che questa quantità corrisponde a sufficiente idrogeno per formare da 9 a 45 oceani con un volume paragonabile all'attuale Oceano Mondiale. Quella piccola frazione percentuale di idrogeno nel nucleo si traduce quindi in una riserva d'acqua superiore a tutti gli oceani attuali messi insieme.
Naturalmente questa riserva "nascosta" non significa che da qualche parte sottoterra ci siano mari veri e propri. Nelle profondità del pianeta, l'idrogeno è legato nella struttura dei metalli sotto una pressione gigantesca. Il punto è che, su scala planetaria, proprio questa quantità di idrogeno è penetrata nel nucleo durante la formazione della Terra.
L'origine dell'acqua sulla Terra: due scenari in competizione
Da anni convivono due ipotesi principali per spiegare da dove provenga l'acqua terrestre. La prima sostiene che l'acqua si sia formata insieme alla Terra, quando il giovane pianeta accumulava materia ricca di composti volatili. La seconda afferma che la maggior parte dell'acqua sia arrivata in seguito, trasportata da comete e asteroidi sotto forma di una vera e propria "pioggia" di proiettili cosmici.
Se nel nucleo può trovarsi idrogeno in quantità equivalente a decine di oceani, questo si adatta molto meglio al primo scenario. Quest'ultimo presuppone che agli inizi della storia terrestre esistesse un immenso oceano di magma contenente già idrogeno e ossigeno. Parte di questa miscela, durante la separazione tra nucleo e mantello, sarebbe sprofondata nelle zone più interne del pianeta.
Nello scenario in cui l'acqua provenga principalmente da impatti tardivi di comete, l'idrogeno dovrebbe prevalere negli strati esterni — crosta e mantello. I risultati dell'esperimento suggeriscono invece una quota significativa di idrogeno nel nucleo stesso. Questo rappresenta un argomento forte a favore dell'ipotesi che la Terra abbia "portato con sé" la maggior parte della propria acqua fin dalla nascita.
Conseguenze sui modelli del nucleo e sul campo magnetico
Se il nucleo contiene una quantità rilevante di idrogeno, molti modelli esistenti vanno rivisti. L'idrogeno influisce sulla densità della lega ferro-nichel ad alta pressione, sulla temperatura di fusione e sulla viscosità del nucleo esterno liquido, sulla conducibilità termica ed elettrica all'interno del pianeta e sul funzionamento della geodinamo responsabile del campo magnetico terrestre.
Il campo magnetico funge da scudo che protegge la superficie dal vento solare e dalle particelle ad alta energia. Qualsiasi modifica ai modelli del nucleo influisce quindi anche sulle previsioni riguardanti la stabilità di questa "bolla" protettiva nel lungo periodo.
Cosa significa tutto questo per la ricerca di pianeti adatti alla vita
I nuovi risultati sono rilevanti ben oltre il nostro pianeta. Gli astronomi riescono a rilevare con sempre maggiore precisione gli esopianeti rocciosi, ma è ancora molto difficile stimare se dispongono di acqua e se riescono a mantenerla per miliardi di anni. Se l'acqua può in gran parte "nascondersi" nel nucleo, modelli futuri dovranno tenere conto di questo serbatoio invisibile quando si studiano pianeti lontani.
Questo potrebbe cambiare le stime su quanti corpi celesti abbiano effettivamente la possibilità di mantenere oceani stabili sulla propria superficie. Un pianeta privo di acqua nella crosta non è necessariamente del tutto arido: parte della sua riserva potrebbe essersi spinta in profondità al centro, come i più recenti dati sembrano suggerire per la Terra.
Un punto di partenza, non un'immagine definitiva
Gli stessi autori degli studi sottolineano che il loro risultato va considerato come una prima fotografia ancora sfocata. Gli esperimenti in condizioni così estreme comportano sempre un rischio di errore: i campioni sono microscopici, e qualsiasi imprecisione nella calibrazione del laser o dei sensori può alterare significativamente il risultato.
Per questo motivo altri gruppi di geofisici hanno già annunciato propri esperimenti con diverse composizioni della lega ferrosa, temperature e pressioni differenti. Se misurazioni indipendenti mostrassero valori di contenuto di idrogeno simili, l'ipotesi di un nucleo "acquoso" guadagnerebbe peso considerevole.
Il quadro più ampio: cosa ci guadagna la scienza
La questione dell'idrogeno nel nucleo connette diversi temi sempre più discussi: la stabilità a lungo termine delle condizioni sulla Terra, il cambiamento climatico e le possibilità di vita al di fuori del Sistema Solare. Il modo in cui un pianeta accumula e conserva l'acqua determina se riesce a mantenere oceani, atmosfera e infine biosfera per miliardi di anni.
In pratica, queste ricerche possono essere viste come la storia di una "polizza assicurativa" per la Terra. Se parte dell'acqua è custodita in profondità, il sistema planetario risulta più resistente alla perdita d'acqua superficiale, ad esempio a causa di un'irradiazione stellare più intensa. D'altra parte, un grande serbatoio al centro potrebbe, in certe condizioni, rifornire lentamente gli strati superiori con nuovi apporti d'acqua.
Per la scienza è uno stimolo a integrare ancora più strettamente i dati della fisica del sottosuolo terrestre, dell'astronomia e della chimica planetaria. Quanto meglio comprendiamo come il nostro pianeta gestisce l'acqua dal nucleo fino all'atmosfera, tanto più facilmente potremo individuare, altrove nell'universo, oasi simili capaci di ospitare la vita nel lungo periodo.
