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L’acqua dalle viscere della Terra

L’origine dell’acqua sul nostro pianeta è una questione scottante: l’acqua ha enormi implicazioni per la tettonica delle placche, il clima, l’origine della vita sulla Terra e la potenziale abitabilità di altri pianeti simili alla Terra. In un recente studio su Physical Review Letters, un docente dell’Università Skoltech e i suoi colleghi cinesi hanno avanzato l’ipotesi che un composto chimico, ora estinto, avrebbe potuto preservare l’acqua nelle profondità sotterranee del nostro pianeta, nell’era in cui le massicce collisioni al quale era sottoposto, avrebbero dovuto far evaporare l’acqua superficiale della Terra. Per la sua importanza e originalità, il documento è stato segnalato come editor suggestion e pubblicato sulla rivista Physics.

Oltre ad essere la sostanza fondamentale per l’origine della vita come la conosciamo, l’acqua superficiale è importante per stabilizzare il clima di un pianeta per lunghi periodi di tempo, consentendo l’evoluzione del pianeta stesso e dei suoi abitanti. È noto che anche piccole quantità di acqua in profondità al di sotto della superficie aumentano notevolmente la plasticità delle rocce, che è essenziale per la tettonica a zolle, un processo che modella i continenti e gli oceani e provoca terremoti e vulcanismo, fattori che contribuiscono a rendere il terreno fertile. Nonostante la sua enorme importanza per l’evoluzione di pianeti rocciosi come il nostro, non siamo ancora certi dell’origine dell’acqua sulla Terra.

«Alcuni scienziati pensano che la nostra acqua sia stata portata dalle comete, ma questa fonte sembra essere molto limitata: la composizione isotopica dell’acqua nelle comete è abbastanza diversa da quella sulla Terra», afferma il professor Artem R. Oganov di Skoltech, coautore della ricerca.

Se l’acqua non fosse provenuta dall’alto, sarebbe dovuta provenire dal basso, dal profondo del mantello o addirittura dal nucleo della Terra. Ma come ha potuto sopravvivere ai violenti primi 30 milioni di anni circa della storia della Terra, quando il pianeta era molto caldo ed è stato incessantemente bombardato da asteroidi e ha anche subito una collisione catastrofica con un pianeta delle dimensioni di Marte che ha prodotto la Luna? Questi processi avrebbero dovuto far “evaporare” parte della Terra e ciò che è rimasto si è fuso almeno a diverse centinaia di chilometri più in basso, rimuovendo l’acqua. Fino ad ora, gli scienziati non conoscevano un composto stabile che potesse rinchiudere atomi di idrogeno e ossigeno all’interno del pianeta abbastanza a lungo per poi rilasciarli come acqua.

Oganov ha collaborato con un gruppo di scienziati guidati dal professor Xiao Dong dell’Università di Nankai, in Cina, e insieme hanno utilizzato il metodo di previsione della struttura cristallina di Oganov, Uspex, per scoprire un composto adatto: l’idrosilicato di magnesio, con la formula Mg2SiO5H2, che è superiore dell’11% all’acqua in peso ed è stabile a pressioni superiori a 2 milioni di atmosfere e a temperature estremamente elevate. Tali pressioni esistono nel nucleo terrestre. Ma tutti sanno che il nucleo è una sfera di metallo, principalmente ferro, quindi gli elementi che compongono l’idrosilicato di magnesio semplicemente sembrerebbe non essere disponibili.

In realtà «non c’era nessun nucleo in quel momento. All’inizio della sua esistenza, la Terra aveva una composizione più o meno uniformemente distribuita, e il ferro ha impiegato circa 30 milioni di anni da quando il pianeta si è formato per filtrare fino al suo centro, spingendo i silicati verso l’alto in quello che oggi chiamiamo il mantello», spiega Oganov.

Ciò significa che per 30 milioni di anni, parte dell’acqua terrestre è stata immagazzinata in modo sicuro sotto forma di idrosilicati nelle profondità del nucleo attuale. Durante quel periodo la Terra ha resistito alla fase più pesante del bombardamento di asteroidi. Quando si è formato il nucleo, gli idrosilicati sono stati spinti in aree a bassa pressione, dove sono diventati instabili e si sono decomposti. Questo ha prodotto l’ossido di magnesio e il silicato di magnesio che costituiscono il mantello oggi e l’acqua, che ha iniziato il suo viaggio di 100 milioni di anni verso la superficie.

«Nel frattempo, la Terra è stata colpita da asteroidi e persino da un protopianeta, ma l’acqua era al sicuro, perché non era ancora arrivata in superficie», aggiunge Oganov. I ricercatori affermano che il loro studio mostra quanto a volte possano essere difettose le intuizioni umane. Nessuno aveva pensato ai silicati a pressione interna, perché si supponeva che gli atomi costituenti non si trovassero lì. E anche allora, le persone non si sarebbero aspettate che un idrosilicato fosse stabile alle condizioni interne, perché si credeva che le temperature e le pressioni estreme “spremessero” l’acqua dal minerale. Tuttavia, una modellazione accurata basata sulla meccanica quantistica ha dimostrato il contrario.

«È anche una storia su come un materiale che è esistito per un breve momento sulla scala temporale del pianeta ha avuto un enorme impatto sull’evoluzione della Terra», continua lo scienziato dei materiali. «Questo è in contrasto con la solita mentalità geologica, ma a pensarci bene, un biologo evoluzionista, per il quale gran parte di ciò che vediamo oggi si è evoluto da specie ormai estinte, non sarebbe sorpreso».

La nuova ipotesi dell’origine dell’acqua ha implicazioni anche per altri corpi celesti. «Marte, ad esempio, è troppo piccolo per produrre le pressioni necessarie per stabilizzare l’idrosilicato di magnesio», afferma Oganov. «Questo spiega perché è così secco e significa che qualunque acqua esista su Marte, probabilmente proveniva dalle comete».

Immagine in apertura: Modello di stoccaggio dell’acqua in (a) prime fasi di formazione del nucleo, (b) dopo la separazione nucleo-mantello. Crediti: Artem R. Oganov

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