Uno studio condotto da ricercatori dell’Università di Oxford, dell’Università di Leeds e dell’University College di Londra ha identificato un nuovo limite alla chimica del nucleo terrestre, mostrando come sia stato in grado di cristallizzarsi milioni di anni fa. Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Communications. I ricercatori hanno dimostrato che il nucleo avrebbe dovuto essere composto per il 3,8% da carbonio affinché iniziasse a cristallizzare. Questo risultato indica che il carbonio potrebbe essere più abbondante nel nucleo terrestre di quanto si pensasse in precedenza e che questo elemento potrebbe aver svolto un ruolo chiave nel suo congelamento, offrendo una rara visione dei processi che avvengono nel cuore del nostro pianeta.
Il nucleo interno della Terra, la massa solida ricca di ferro al centro del nostro pianeta, sta lentamente crescendo mentre il nucleo esterno fuso circostante si raffredda e congela. Ma questo processo è stato fonte di dibattito tra gli scienziati per decenni.
La formazione del nucleo interno non è solo una questione di determinare quando il nucleo si è raffreddato fino al suo punto di congelamento, ma coinvolge anche il processo di cristallizzazione, che dipende dalla sua esatta composizione chimica. Come le goccioline d’acqua nelle nuvole, che possono raffreddarsi fino a -30°C prima di formare grandine, il ferro fuso deve essere sottoraffreddato (raffreddato al di sotto del suo punto di fusione) prima di poter congelare.
Calcoli precedenti hanno suggerito che sarebbero necessari 800-1.000°C di sottoraffreddamento per avviare il congelamento del nucleo se fosse composto da ferro puro.
Tuttavia, se il nucleo fosse sottoraffreddato a questo livello, i ricercatori hanno dimostrato che il nucleo interno crescerebbe enormemente e il campo magnetico terrestre verrebbe meno. Nessuno di questi risultati si è però verificato nella storia del nostro pianeta. Gli scienziati ritengono invece che in passato il nucleo avrebbe potuto raffreddarsi fino a non più di circa 250°C al di sotto del suo punto di fusione.
Questa nuova ricerca mirava a comprendere come il nucleo interno si presenti oggi, con un sottoraffreddamento così limitato in passato. Senza accesso diretto alle profondità della Terra, il team di ricerca ha dovuto affidarsi a simulazioni al computer del processo di congelamento.
Lo studio
I ricercatori hanno esaminato la presenza di altri elementi, in particolare silicio, zolfo, ossigeno e carbonio, e come questi potrebbero influenzare il processo di congelamento. “Ciascuno di questi elementi è presente nel mantello sovrastante e potrebbe quindi essere stato disciolto nel nucleo durante la storia della Terra“, ha spiegato il coautore Andrew Walker, professore associato (Dipartimento di Scienze della Terra, Università di Oxford).
“Di conseguenza, questo potrebbe spiegare perché abbiamo un nucleo interno solido con un sottoraffreddamento relativamente basso a questa profondità. La presenza di uno o più di questi elementi potrebbe anche spiegare perché il nucleo sia meno denso del ferro puro, un’osservazione chiave della sismologia”.
Utilizzando simulazioni al computer su scala atomica di circa 100.000 atomi a temperature e pressioni sottoraffreddate equivalenti a quelle del nucleo interno, il team di ricerca ha monitorato la frequenza con cui piccoli ammassi di atomi cristallini si formano da un liquido. Questi eventi di “nucleazione” sono i primi passi verso il congelamento.
Ciò che hanno scoperto è stato sorprendente: silicio e zolfo, elementi spesso considerati presenti nel nucleo, in realtà rallentano il processo di congelamento. In altre parole, sarebbe necessario un ulteriore sottoraffreddamento per iniziare a formare il nucleo interno se questi elementi fossero abbondanti in quella parte della Terra.
D’altra parte, hanno scoperto che il carbonio ha contribuito ad accelerare il congelamento nella simulazione.
Nello studio, i ricercatori hanno testato quanto sottoraffreddamento sarebbe necessario per congelare il nucleo interno se il 2,4% della massa del nucleo fosse costituito da carbonio. Il risultato: circa 420°C, ancora troppo alto, ma il risultato più vicino alla fattibilità finora.
Ma quando hanno estrapolato i loro risultati a un caso in cui il 3,8% della massa del nucleo fosse costituito da carbonio, il sottoraffreddamento richiesto è sceso a 266°C. Questa è l’unica composizione nota che potrebbe spiegare sia la nucleazione che le dimensioni osservate del nucleo interno.
Questo risultato indica che il carbonio potrebbe essere più abbondante nel nucleo terrestre di quanto si pensasse in precedenza e che senza questo elemento la formazione di un nucleo interno solido potrebbe non essere mai avvenuta.
Gli esperimenti dimostrano anche che il congelamento del nucleo interno è stato possibile con la giusta chimica e, a differenza dell’acqua quando forma la grandine, lo ha fatto senza “semi di nucleazione”, minuscole particelle che contribuiscono a innescare il congelamento. Questo è fondamentale, perché, come testato in simulazioni precedenti, tutti i candidati per i semi di nucleazione nel nucleo si sono sciolti o dissolti.
L’autore principale, il Dott. Alfred Wilson (School of Earth and Environment, Università di Leeds), ha dichiarato: “è entusiasmante vedere come i processi su scala atomica controllino la struttura fondamentale e le dinamiche del nostro pianeta. Studiando come si è formato il nucleo interno della Terra, non stiamo solo imparando a conoscere il passato del nostro pianeta. Stiamo ottenendo una rara visione della chimica di una regione che non potremo mai sperare di raggiungere direttamente e stiamo imparando come potrebbe cambiare in futuro”.
Gli scienziati hanno dibattuto per decenni su quando il nucleo interno abbia iniziato a solidificarsi, con alcuni che sostengono un’età molto più antica (il cui congelamento è iniziato più di due miliardi di anni fa) e altri che suggeriscono un’età molto più recente (meno di mezzo miliardo di anni). Con queste nuove informazioni sul contenuto di carbonio del nucleo, siamo un passo più vicini a definirne la chimica e le proprietà fisiche, e quindi a comprenderne l’evoluzione.