Nuove ricerche sul nucleo del nostro pianeta suggeriscono che, a migliaia di chilometri sotto i nostri piedi, potrebbe essere intrappolata una quantità enorme di idrogeno. Questo risultato costringe a rivedere molte idee su come si è formata l’acqua sulla Terra e su come si è evoluta la storia del pianeta. Per la prima volta, gli scienziati hanno provato a stimare quanta parte di questo elemento leggerissimo possa essere effettivamente nascosta nel nucleo terrestre.
Il responso è sorprendente: la quantità di idrogeno compatibile con i dati attuali corrisponderebbe al contenuto di 9 fino a 45 oceani simili all’Oceano globale di oggi. Un’ipotesi che apre nuovi interrogativi sull’origine dell’acqua terrestre e sulle condizioni che permettono a un pianeta roccioso di mantenere oceani e atmosfera per miliardi di anni.
Come è cambiata la nostra visione del nucleo terrestre
La conoscenza dell’interno della Terra è relativamente recente. Solo con lo sviluppo della sismologia, all’inizio del Novecento, è stato possibile “vedere” oltre la crosta. Negli anni Trenta del XX secolo, l’analisi delle onde sismiche ha rivelato che al centro del pianeta si trova una sfera metallica solida, circondata da uno strato metallico liquido.
Misurando la velocità delle onde sismiche che attraversano queste zone profonde, i ricercatori hanno potuto stimare la densità dei vari strati. Confrontando tali dati con la composizione delle meteoriti metalliche, il quadro iniziale sembrava semplice: un nucleo formato quasi esclusivamente da ferro e nichel. Col tempo, però, è emerso che questi due elementi da soli non bastano a spiegare la densità misurata.
A partire dagli anni Sessanta, i geofisici hanno quindi ipotizzato la presenza nel nucleo di elementi più leggeri: zolfo, silicio, ossigeno, carbonio e, potenzialmente, idrogeno. Il problema è che non possiamo accedere direttamente al nucleo, quindi ogni modello si basa su indizi indiretti e misure estremamente delicate.
Le più recenti simulazioni di laboratorio indicano ora che nel nucleo terrestre potrebbe essere disciolta una quantità di idrogeno sufficiente a equivalere a 9–45 oceani.
Perché l’idrogeno è così difficile da individuare nel nucleo
L’idrogeno è l’elemento più leggero e più piccolo della tavola periodica. Penetra facilmente nei minerali, si muove rapidamente e risulta complicato da quantificare con misure indirette. Nel contesto dello studio dell’interno terrestre, agisce un po’ come un “rumore” nei dati deboli: anche piccole variazioni percentuali possono produrre grandi effetti sulle proprietà fisiche, ma stabilire il valore esatto è molto difficile.
A complicare le cose c’è il fatto che tutti i dati sul nucleo sono indiretti. Gli scienziati si basano su diversi tipi di osservazioni e prove:
- registrazioni delle onde sismiche generate dai terremoti,
- misure del campo gravitazionale e del momento d’inerzia del pianeta,
- esperimenti ad altissima pressione su campioni di metalli e rocce,
- confronti con meteoriti considerate frammenti della primissima fase del Sistema solare.
Da questo mosaico di informazioni va ricostruita un’immagine coerente dell’interno terrestre. Ogni nuovo esperimento che riesce a imitare meglio le condizioni estreme a 3.000–5.000 km di profondità è preziosissimo per affinare i modelli.
Come è stato “ricreato” il nucleo terrestre in laboratorio
Nel nuovo studio, i geofisici hanno deciso di affrontare il problema in modo più diretto. Hanno utilizzato una lega di ferro con composizione simile a quella del nucleo e un materiale che imita l’antico oceano magmatico della Terra primordiale, per osservare come si distribuiscono gli elementi tra le due fasi in condizioni estreme.
Per arrivare a pressioni paragonabili a quelle del nucleo sono serviti strumenti basati su diamanti: due punte di diamante opposte che comprimono minuscoli campioni fino a pressioni di centinaia di gigapascal. Il materiale è stato poi riscaldato con un laser fino a circa 4.800 °C, temperatura simile a quella del nucleo terrestre.
L’esperimento aveva due componenti fondamentali. Dopo aver stabilizzato pressione e temperatura, i ricercatori hanno applicato una tecnica chiamata tomografia atomica, che permette di ricostruire in 3D la composizione del campione quasi atomo per atomo. In questo modo è stato possibile quantificare con grande precisione quanto silicio, ossigeno e idrogeno fosse presente nella parte metallica e in quella silicatica.
Quanta idrogeno può contenere il nucleo terrestre
Dai dati raccolti emerge che il nucleo potrebbe contenere dallo 0,07 allo 0,36% della propria massa sotto forma di idrogeno. A prima vista può sembrare una frazione trascurabile, ma su scala planetaria si traduce in una quantità enorme. Secondo i calcoli del team, questo corrisponde a un contenuto di idrogeno sufficiente a formare da 9 a 45 oceani di volume paragonabile all’attuale Oceano globale.
Una frazione di percento di idrogeno nel nucleo equivarrebbe dunque a una riserva d’acqua potenziale superiore a tutti gli oceani superficiali messi insieme.
Questo “serbatoio nascosto” non implica ovviamente che sotto di noi esistano veri mari profondi. Nelle regioni interne della Terra l’idrogeno è intrappolato nella struttura dei metalli, sottoposto a pressioni gigantesche. Ciò che conta è che, durante la formazione del pianeta, una parte considerevole dell’idrogeno disponibile sia migrata verso il nucleo e vi sia rimasta inglobata.
Da dove viene l’acqua terrestre? I due modelli principali
L’origine dell’acqua sulla Terra è da tempo oggetto di due ipotesi principali:
- l’acqua si sarebbe formata insieme al pianeta, mentre la giovane Terra accumulava materiale ricco di composti volatili;
- la maggior parte dell’acqua sarebbe arrivata in seguito, trasportata da comete e asteroidi che hanno bombardato la superficie.
Se nel nucleo può essere “immagazzinata” una quantità di idrogeno equivalente a decine di oceani, i dati sembrano favorire il primo modello. Secondo questa visione, nelle fasi iniziali la Terra avrebbe ospitato un enorme oceano magmatico che già conteneva idrogeno e ossigeno. Durante la separazione tra nucleo e mantello, una parte di questi elementi sarebbe sprofondata nelle regioni più profonde.
Nel modello in cui l’acqua proviene soprattutto da impatti successivi di comete, ci si aspetterebbe invece che l’idrogeno fosse concentrato nelle zone più esterne – crosta e mantello. I risultati dell’esperimento, che indicano una presenza significativa di idrogeno nel nucleo, rafforzano l’idea che la Terra abbia acquisito gran parte della sua acqua già nella fase di formazione, non solo in epoche successive.
Come questi risultati cambiano la nostra comprensione della Terra
Se il nucleo contiene davvero una quantità non trascurabile di idrogeno, molti modelli interni vanno rivisti. L’idrogeno influisce su vari aspetti chiave:
- la densità della lega ferro-nichel alle altissime pressioni del nucleo,
- la temperatura di fusione e la viscosità del nucleo esterno liquido,
- la conducibilità termica ed elettrica nelle profondità del pianeta,
- il comportamento della geodinamo che genera il campo magnetico terrestre.
Il campo magnetico agisce come uno scudo che protegge la superficie dal vento solare e dalle particelle ad alta energia. Qualsiasi modifica nei modelli del nucleo si ripercuote quindi anche sulle previsioni riguardanti la stabilità a lungo termine di questa “bolla” protettiva.
Implicazioni per la ricerca di pianeti abitabili
Le nuove conoscenze non riguardano solo la Terra. Gli astronomi individuano con sempre maggiore precisione pianeti rocciosi attorno ad altre stelle, ma è molto difficile stabilire se possiedano acqua e se siano in grado di conservarla per miliardi di anni. Se una parte importante dell’acqua può “nascondersi” nel nucleo, bisogna tenere conto anche di questo serbatoio invisibile quando si modellano le proprietà delle esoplaneti.
Questo potrebbe modificare le stime su quante di queste mondi abbiano davvero la possibilità di mantenere oceani stabili in superficie. Un pianeta che sembra secco in superficie, con poca acqua nella crosta, potrebbe in realtà custodire una parte significativa delle sue risorse idriche nelle profondità interne, come i nuovi dati suggeriscono per la Terra.
Incertezze e prossimi passi della ricerca
Gli stessi autori dello studio sottolineano che il loro risultato va considerato come un primo quadro ancora impreciso. Gli esperimenti condotti a condizioni così estreme sono sempre esposti a possibili margini di errore: i campioni sono microscopici e qualsiasi imprecisione nella calibrazione del laser o dei sensori può alterare sensibilmente i dati finali.
Per questo altri gruppi di ricerca hanno già annunciato esperimenti indipendenti, con leghe di ferro di composizione diversa e con combinazioni differenti di pressioni e temperature. Se misure indipendenti dovessero convergere su valori simili per il contenuto di idrogeno, l’ipotesi di un nucleo “idratato” acquisterebbe un peso molto maggiore.
Per chi non è del settore, può risultare sorprendente quanto poco sappiamo ancora degli strati più profondi della Terra. Il confine tra mantello e nucleo si trova ben oltre qualsiasi fondale oceanico, e le condizioni fisiche di quelle zone non possono essere replicate alla perfezione. La geofisica, per questo, si affida a un insieme di metodi diversi che si controllano e si correggono a vicenda.
Che cosa significa tutto questo per noi
La questione dell’idrogeno nel nucleo collega diversi temi di grande attualità: i cambiamenti climatici, la stabilità a lunghissimo termine delle condizioni sulla Terra e le possibilità di vita fuori dal Sistema solare. Il modo in cui un pianeta raccoglie e conserva l’acqua determina se può mantenere oceani, atmosfera e, in ultima analisi, una biosfera attiva per miliardi di anni.
In un certo senso, questa ricerca può essere vista come la storia di una “polizza assicurativa” planetaria. Se una parte dell’acqua è custodita molto in profondità, il sistema Terra diventa più resistente alla perdita d’acqua dalla superficie, ad esempio per un aumento dell’attività della stella. Allo stesso tempo, un grande serbatoio interno potrebbe, in determinate condizioni, alimentare lentamente gli strati superiori con nuove porzioni d’acqua.
Per la scienza, tutto ciò è un invito a integrare ancora più strettamente i dati provenienti dalla fisica dell’interno terrestre, dall’astronomia e dalla chimica planetaria. Quanto meglio comprendiamo come il nostro pianeta gestisce l’acqua, dal nucleo fino all’atmosfera, tanto più saremo in grado di riconoscere, tra i mondi lontani, quelli che potrebbero ospitare o mantenere a lungo ambienti favorevoli alla vita.
