Il nucleo della Terra, una sfera metallica incandescente situata a migliaia di chilometri sotto i nostri piedi, è stato a lungo sospettato di essere il più grande serbatoio di idrogeno del pianeta. Tuttavia, fino ad oggi, la difficoltà tecnica di quantificare questo elemento in condizioni di pressione e temperatura così estreme ha generato stime incerte, che oscillavano di diversi ordini di grandezza. Uno studio pionieristico pubblicato su Nature Communications da un team guidato da Dongyang Huang ha finalmente fornito una misura diretta, rivelando che il cuore metallico della Terra potrebbe ospitare una quantità di idrogeno equivalente a un volume compreso tra 9 e 45 volte quello degli attuali oceani terrestri.
La sfida scientifica della quantificazione profonda
Determinare la composizione chimica del nucleo è fondamentale per spiegare il cosiddetto “deficit di densità”: il fatto che il nucleo sia meno denso di quanto sarebbe se fosse composto solo da ferro e nichel. L’idrogeno è sempre stato il candidato principale tra gli elementi leggeri, ma la sua volatilità rende quasi impossibile la sua misurazione diretta. In passato, gli scienziati dovevano affidarsi a metodi indiretti, come l’osservazione dell’espansione del reticolo cristallino del ferro, un approccio soggetto a numerose variabili e assunzioni teoriche che ne limitavano l’accuratezza.
Simulare il magma primordiale in laboratorio
Per superare questi ostacoli, i ricercatori hanno ricreato in laboratorio le condizioni infernali che caratterizzavano la Terra durante la formazione del nucleo, circa 4,5 miliardi di anni fa. Utilizzando celle a incudine di diamante riscaldate dal laser, hanno portato campioni di ferro a contatto con silicati idrati a pressioni fino a 111 GPa e temperature superiori a 5100 K. Questo processo ha permesso di simulare l’equilibrio tra il metallo fuso e l’oceano di magma primordiale, catturando il momento esatto in cui l’idrogeno si è legato al ferro per “sequestrarsi” nelle profondità del pianeta.
Tomografia a sonda atomica: una mappa su scala nanometrica
La vera svolta tecnologica dello studio è stata l’applicazione della tomografia a sonda atomica (APT), una tecnica che permette la mappatura tridimensionale della composizione chimica con risoluzione atomica. Grazie a questo strumento, gli scienziati hanno osservato direttamente la presenza di idrogeno all’interno di nanostrutture ricche di silicio e ossigeno formate durante il raffreddamento del metallo. L’analisi ha rivelato che il rapporto molare tra silicio e idrogeno in queste strutture è quasi di 1:1, un dato fondamentale che ha permesso di calcolare la concentrazione complessiva di idrogeno nel nucleo basandosi sulle stime già consolidate del contenuto di silicio.
Un’origine locale per l’acqua della Terra
I risultati di questa ricerca hanno implicazioni profonde per la nostra comprensione dell’origine dell’acqua sul nostro pianeta. Se il nucleo contiene davvero una massa di idrogeno pari allo 0,07-0,36% del suo peso, ciò significa che la Terra ha acquisito la stragrande maggioranza della sua acqua durante le fasi principali dell’accrescimento planetario, piuttosto che riceverla tardivamente tramite l’impatto di comete o asteroidi. Questa scoperta supporta i modelli secondo cui il nostro pianeta si è formato da materiali primordiali già ricchi di idrogeno, che si è poi separato nel nucleo metallico durante la differenziazione degli strati terrestri.
Implicazioni per il campo magnetico e la geodinamica
La presenza di un serbatoio così vasto di idrogeno non influenza solo la chimica del pianeta, ma anche la sua dinamica globale. L’idrogeno nel nucleo potrebbe aver giocato un ruolo cruciale nel ritardare la cristallizzazione del biossido di silicio, influenzando l’energia disponibile per alimentare la geodinamo, ovvero il processo che genera il campo magnetico terrestre. Inoltre, il rilascio graduale di questo idrogeno dal nucleo verso il mantello nel corso dei millenni potrebbe aver rimodellato la reologia delle rocce profonde e il ciclo globale dell’acqua, garantendo quelle condizioni di abitabilità che hanno permesso alla vita di prosperare sulla superficie terrestre per miliardi di anni.
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