Secondo una nuova ricerca pubblicata su Nature Geoscience, la Terra potrebbe aver prodotto gran parte della propria acqua durante la fase di formazione, grazie alla reazione tra frammenti rocciosi e l’atmosfera ricca di idrogeno che circondava il giovane pianeta. I risultati offrono una possibile spiegazione su come la Terra abbia acquisito uno degli ingredienti essenziali per la vita e suggeriscono che processi analoghi, capaci di generare acqua, potrebbero essere comuni sui pianeti rocciosi al di fuori del nostro Sistema Solare. Lo studio – condotto dalla dottoranda Susmita Garai insieme a Zachary Sharp, professore e direttore del Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie, e a Peter Olson, dell’Università del New Mexico – si è avvalso di esperimenti ad alta temperatura per analizzare come le rocce silicatiche contenenti ferro reagiscano con l’idrogeno atmosferico, in condizioni simili a quelle che caratterizzavano le prime fasi della formazione planetaria.
“Le teorie precedenti sull’origine dell’acqua sulla Terra ipotizzavano una provenienza esterna, come comete o meteoriti. Il nostro studio dimostra invece che, grazie a questo meccanismo appena individuato, praticamente ogni pianeta delle dimensioni della Terra dovrebbe essere in grado di produrre acqua”, ha spiegato Sharp. “Per verificare se una “pioggia di frammenti rocciosi” potesse costituire una fonte d’acqua, abbiamo dovuto progettare ed eseguire esperimenti ad alta temperatura estremamente complessi. Il grande impegno di Susmita Garai è stato ripagato: è emerso che, nell’ambiente ad alta temperatura tipico dell’atmosfera terrestre primordiale, l’acqua si forma nel giro di pochi minuti”.
Acqua dalle rocce e dall’idrogeno atmosferico
Da tempo gli scienziati studiano come la Terra abbia ottenuto la propria acqua durante la sua formazione. Una delle ipotesi principali suggerisce che essa sia giunta da lontano, trasportata da materiali ricchi d’acqua, come frammenti ghiacciati formatisi nelle regioni più fredde del Sistema Solare primordiale. Tuttavia, restano ancora interrogativi su come tale acqua sia potuta arrivare sulla Terra da distanze così elevate e se tali processi siano in grado di spiegare esaustivamente la composizione chimica del pianeta. La nuova ricerca esplora un’altra possibilità: l’acqua potrebbe essersi formata attraverso reazioni chimiche tra materiale roccioso e l’idrogeno presente nell’atmosfera del pianeta in accrescimento.
Durante la formazione della Terra, piccoli frammenti rocciosi si sono accumulati dando origine a un corpo planetario più grande; un processo noto come “accrescimento di ciottoli” (pebble accretion). Quando il pianeta in formazione raggiunge una massa sufficiente, è in grado di sviluppare un’atmosfera calda, ad alta pressione e ricca di idrogeno. Mentre i ciottoli di silicati precipitavano attraverso questa atmosfera, l’ossido di ferro presente nelle rocce poteva reagire con l’idrogeno, producendo ferro metallico e vapore acqueo.
Esperimenti ad alta temperatura per verificare la reazione
Per testare questo processo, i ricercatori hanno riscaldato campioni di rocce silicatiche a temperature comprese tra 1.200°C e 1.400°C, esponendoli a flussi di idrogeno e, a scopo di confronto, di elio. Gli esperimenti hanno avuto una durata variabile dai 15 minuti alle tre ore. Negli esperimenti condotti con l’idrogeno, quasi l’80% dell’ossido di ferro contenuto nei campioni è stato convertito in ferro metallico, con la conseguente produzione di vapore acqueo. Tale reazione non si è verificata negli esperimenti con l’elio, il che dimostra il ruolo fondamentale dell’idrogeno nel processo di formazione dell’acqua.
“Sospettavamo e speravamo di ottenere ferro metallico e acqua attraverso i nostri esperimenti di riduzione, ma non avevamo modo di sapere con quale rapidità o in quale quantità ciò potesse avvenire. Siamo rimasti piuttosto sorpresi nel constatare che, estrapolando i nostri risultati, emerge come in questo modo si sia probabilmente prodotta una quantità d’acqua pari a centinaia di oceani. Guardando una grande distesa d’acqua, è difficile immaginare che possa essersi formata 4,5 miliardi di anni fa in un’atmosfera infernale; eppure, è del tutto possibile”, ha affermato Sharp.
Questi risultati suggeriscono che la produzione di acqua potrebbe aver giocato un ruolo cruciale nelle prime fasi dello sviluppo della Terra. Invece di dipendere esclusivamente dall’apporto di acqua iniziale sotto forma di ghiaccio o altri materiali ricchi di acqua, un pianeta in accrescimento potrebbe generarla autonomamente, attraverso reazioni tra i suoi costituenti rocciosi e l’atmosfera circostante.
Una possibile fonte d’acqua per altri pianeti
La ricerca ha implicazioni che vanno oltre la Terra. Se condizioni analoghe si fossero verificate durante la formazione di altri pianeti rocciosi, le medesime reazioni chimiche potrebbero costituire un meccanismo diffuso per la produzione di acqua su esopianeti di dimensioni simili a quelle terrestri. “Il concetto di accrescimento di ciottoli è ancora relativamente recente; è emerso solo nell’ultimo decennio. Tuttavia, sembra risolvere molte delle criticità presenti nel modello attualmente accettato per la formazione dei pianeti”, ha spiegato Sharp. “E ora scopriamo che può anche spiegare perché il nostro pianeta sia abitabile. Per estensione, è ragionevole ipotizzare che anche altri corpi celesti, di dimensioni paragonabili alla Terra e in orbita attorno ad altre stelle, possano possedere acqua e, potenzialmente, ospitare la vita”.
Sebbene gli esperimenti dimostrino un potenziale meccanismo per la produzione di acqua durante la formazione planetaria, saranno necessarie ulteriori ricerche per determinare quanta acqua terrestre si sia originata in questo modo. Lo studio fornisce nuove informazioni sui processi chimici che hanno plasmato la Terra primordiale ed espande la comprensione scientifica dei possibili percorsi attraverso i quali l’acqua può svilupparsi sui pianeti rocciosi.