Come sappiamo cosa c’è sulla Terras core

Gli uomini sono stati su tutta la Terra. Abbiamo conquistato le terre, volato nell’aria e ci siamo immersi nelle trincee più profonde dell’oceano. Siamo stati persino sulla Luna. Ma non siamo mai stati al centro del pianeta. Il punto centrale della Terra si trova a oltre 6.000 km di profondità, e anche la parte più esterna del nucleo è quasi 3.000 km sotto i nostri piedi. Il buco più profondo che abbiamo mai creato sulla superficie è il Kola Superdeep Borehole in Russia, e scende solo a 12,3 km di profondità.

Tutti gli eventi familiari sulla Terra accadono anche vicino alla superficie. La lava che sgorga dai vulcani prima si scioglie a poche centinaia di chilometri di profondità. Anche i diamanti, che hanno bisogno di calore e pressione estremi per formarsi, hanno origine in rocce a meno di 500 km di profondità.

Cosa c’è sotto tutto questo è avvolto nel mistero. Sembra insondabile. Eppure, sappiamo una quantità sorprendente di cose sul nucleo. Abbiamo persino un’idea di come si sia formato miliardi di anni fa – il tutto senza un singolo campione fisico. Ecco come il nucleo è stato rivelato.

Un buon modo per iniziare è pensare alla massa della Terra, dice Simon Redfern dell’Università di Cambridge nel Regno Unito.

La maggior parte della massa della Terra deve trovarsi verso il centro del pianeta

Possiamo stimare la massa della Terra osservando l’effetto della gravità del pianeta sugli oggetti in superficie. Si è scoperto che la massa della Terra è di 5,9 sestilioni di tonnellate: 59 seguito da 20 zeri.

Non c’è traccia di nulla di così massiccio sulla superficie.

“La densità del materiale sulla superficie terrestre è molto più bassa della densità media di tutta la Terra, quindi questo ci dice che c’è qualcosa di molto più denso”, dice Redfern. “Questa è la prima cosa.”

In sostanza, la maggior parte della massa della Terra deve trovarsi verso il centro del pianeta. Il passo successivo è chiedere quali materiali pesanti compongono il nucleo.

La risposta è che quasi certamente è fatto soprattutto di ferro. Si pensa che il nucleo sia composto per circa l’80% da ferro, anche se la cifra esatta è oggetto di dibattito.

Un nucleo di ferro spiegherebbe tutta quella massa mancante

La prova principale di ciò è l’enorme quantità di ferro nell’universo intorno a noi. È uno dei dieci elementi più comuni nella nostra galassia, e si trova spesso nei meteoriti.

Data la sua quantità, il ferro è molto meno comune sulla superficie della Terra di quanto ci si potrebbe aspettare. Quindi la teoria è che quando la Terra si è formata 4,5 miliardi di anni fa, molto ferro si è fatto strada fino al nucleo.

È lì che si trova la maggior parte della massa, ed è anche dove deve trovarsi la maggior parte del ferro. Il ferro è un elemento relativamente denso in condizioni normali, e sotto l’estrema pressione del nucleo della Terra verrebbe schiacciato ad una densità ancora maggiore, quindi un nucleo di ferro spiegherebbe tutta quella massa mancante.

Ma aspetta un attimo. Come ha fatto il ferro ad arrivare laggiù?

Il ferro deve aver gravitato in qualche modo – letteralmente – verso il centro della Terra. Ma non è immediatamente ovvio come.

La maggior parte del resto della Terra è fatta di rocce chiamate silicati, e il ferro fuso fa fatica ad attraversarle. Un po’ come l’acqua su una superficie grassa forma delle goccioline, il ferro si aggrappa a se stesso in piccoli serbatoi, rifiutando di diffondersi e fluire.

La pressione cambia effettivamente le proprietà di come il ferro interagisce con il silicato

Una possibile soluzione è stata scoperta nel 2013 da Wendy Mao della Stanford University in California e dai suoi colleghi. Si sono chiesti cosa succedeva quando il ferro e il silicato erano entrambi esposti a una pressione estrema, come accade nelle profondità della terra.

Premendo entrambe le sostanze in modo estremamente stretto utilizzando diamanti, sono stati in grado di forzare il ferro fuso attraverso il silicato.

“La pressione cambia effettivamente le proprietà di come il ferro interagisce con il silicato”, dice Mao. A pressioni più elevate si forma una “rete di fusione”.”

Questo suggerisce che il ferro è stato gradualmente spremuto attraverso le rocce della Terra nel corso di milioni di anni, fino a raggiungere il nucleo.

A questo punto ci si potrebbe chiedere come facciamo a sapere le dimensioni del nucleo. Cosa fa pensare agli scienziati che inizi a 3000 km di profondità? C’è una risposta in una parola: sismologia.

Tutte le stazioni sismiche disseminate sulla Terra hanno registrato l’arrivo delle scosse

Quando avviene un terremoto, invia onde d’urto in tutto il pianeta. I sismologi registrano queste vibrazioni. È come se colpissimo un lato del pianeta con un gigantesco martello, e ascoltassimo il rumore dall’altro lato.

“C’è stato un terremoto in Cile negli anni ’60 che ha generato una quantità enorme di dati”, dice Redfern. “Tutte le stazioni sismiche sparse per la Terra hanno registrato l’arrivo delle scosse di quel terremoto”

A seconda del percorso che fanno quelle vibrazioni, passano attraverso diverse parti della Terra, e questo influisce su come “suonano” all’altra estremità.

Presto nella storia della sismologia, ci si è resi conto che alcune vibrazioni andavano perse. Ci si aspettava che queste “onde S” si presentassero da un lato della Terra dopo essersi originate dall’altro, ma non ce n’era traccia.

Si è scoperto che le rocce sono diventate liquide a circa 3000 km di profondità

La ragione di ciò era semplice. Le onde S possono riverberare solo attraverso materiale solido, e non possono passare attraverso il liquido.

Devono aver incontrato qualcosa di fuso al centro della Terra. Mappando i percorsi delle onde S, si è scoperto che le rocce sono diventate liquide circa 3000 km più in basso.

Questo suggerisce che l’intero nucleo era fuso. Ma la sismologia aveva in serbo un’altra sorpresa.

Negli anni ’30, un sismologo danese di nome Inge Lehmann notò che un altro tipo di onde, chiamate onde P, attraversavano inaspettatamente il nucleo e potevano essere rilevate dall’altra parte del pianeta.

Le onde P viaggiavano davvero attraverso il nucleo

Ha trovato una spiegazione sorprendente: il nucleo è diviso in due strati. Il nucleo “interno”, che inizia a circa 5.000 km di profondità, era effettivamente solido. L’idea di Lehmann fu infine confermata nel 1970, quando sismografi più sensibili scoprirono che le onde P viaggiavano davvero attraverso il nucleo e, in alcuni casi, venivano deviate ad angolo. Di sicuro, finivano ancora dall’altra parte del pianeta.

Non sono solo i terremoti ad aver inviato utili onde d’urto attraverso la Terra. Infatti, la sismologia deve molto del suo successo allo sviluppo delle armi nucleari.

Anche una detonazione nucleare crea onde nel terreno, quindi le nazioni usano la sismologia per ascoltare i test delle armi. Durante la Guerra Fredda questo era considerato estremamente importante, quindi i sismologi come Lehmann ricevettero molti incoraggiamenti.

Questo risulta essere piuttosto difficile da determinare

I paesi rivali scoprirono le reciproche capacità nucleari e lungo il percorso imparammo sempre di più sul nucleo della Terra. La sismologia è usata ancora oggi per rilevare le detonazioni nucleari.

Ora possiamo tracciare un quadro approssimativo della struttura della Terra. C’è un nucleo esterno fuso, che inizia all’incirca a metà strada verso il centro del pianeta, e al suo interno c’è il nucleo interno solido con un diametro di 1.220 km.

Ma c’è molto di più da cercare di capire, specialmente riguardo al nucleo interno. Per cominciare, quanto è caldo?

Questo risulta essere abbastanza difficile da determinare, e ha lasciato perplessi gli scienziati fino a poco tempo fa, dice Lidunka Vočadlo dello University College di Londra nel Regno Unito. Non possiamo mettere un termometro laggiù, quindi l’unica soluzione è creare la giusta pressione di schiacciamento in laboratorio.

Il nucleo della Terra è rimasto caldo grazie al calore trattenuto dalla formazione del pianeta

Nel 2013 un team di ricercatori francesi ha prodotto la migliore stima finora. Hanno sottoposto il ferro puro a pressioni di poco superiori alla metà di quelle del nucleo, e hanno estrapolato da lì. Hanno concluso che il punto di fusione del ferro puro alle temperature del nucleo è di circa 6.230 °C. La presenza di altri materiali porterebbe il punto di fusione del nucleo un po’ più in basso, a circa 6.000 °C. Ma è ancora caldo come la superficie del Sole.

Un po’ come una patata calda, il nucleo della Terra è rimasto caldo grazie al calore trattenuto dalla formazione del pianeta. Riceve anche calore dall’attrito quando i materiali più densi si spostano, così come dal decadimento degli elementi radioattivi. Eppure, si sta raffreddando di circa 100 °C ogni miliardo di anni.

Conoscere la temperatura è utile, perché influenza la velocità con cui le vibrazioni viaggiano attraverso il nucleo. Questo è utile, perché c’è qualcosa di strano nelle vibrazioni.

Le onde P viaggiano inaspettatamente lente quando attraversano il nucleo interno – più lentamente di quanto farebbero se fosse fatto di ferro puro.

È un problema alla Cenerentola: nessuna scarpa ci sta bene

“Le velocità delle onde che i sismologi misurano nei terremoti e quant’altro sono notevolmente inferiori a quelle che noi misuriamo in un esperimento o calcoliamo al computer”, dice Vočadlo. “

Questo suggerisce che c’è un altro materiale nel mix.

Potrebbe essere un altro metallo, chiamato nichel. Ma gli scienziati hanno stimato come le onde sismiche viaggerebbero attraverso una lega ferro-nichel, e neanche questo corrisponde alle letture.

Vočadlo e i suoi colleghi stanno ora valutando se potrebbero esserci anche altri elementi laggiù, come zolfo e silicio. Finora, nessuno è stato in grado di proporre una teoria per la composizione del nucleo interno che soddisfi tutti. È un problema alla Cenerentola: nessuna scarpa ci sta bene.

Questo potrebbe spiegare perché le onde sismiche passano più lentamente del previsto

Vočadlo sta cercando di simulare i materiali del nucleo interno su un computer. Spera di trovare una combinazione di materiali, temperature e pressioni che possano rallentare le onde sismiche nella giusta misura.

Dice che il segreto potrebbe risiedere nel fatto che il nucleo interno è quasi al suo punto di fusione. Di conseguenza, le proprietà precise dei materiali potrebbero essere diverse da quelle che avrebbero se fossero solidi al sicuro.

Questo potrebbe spiegare perché le onde sismiche passano più lentamente del previsto.

“Se questo è il vero effetto, saremmo in grado di conciliare i risultati della fisica minerale con i risultati sismologici”, dice Vocadlo. “La gente non è ancora stata in grado di farlo.”

Ci sono molti enigmi sul nucleo della terra ancora da risolvere. Ma senza mai scavare fino a quelle profondità impossibili, gli scienziati hanno capito molto di quello che succede migliaia di chilometri sotto di noi.

Il campo magnetico ci aiuta a proteggerci dalle dannose radiazioni solari

Questi processi nascosti nelle profondità della Terra sono cruciali per la nostra vita quotidiana, in un modo di cui molti di noi non si rendono conto.

La Terra ha un potente campo magnetico, e questo è tutto grazie al nucleo parzialmente fuso. Il costante movimento del ferro fuso crea una corrente elettrica all’interno del pianeta, e questo a sua volta genera un campo magnetico che si estende fino allo spazio.

Il campo magnetico ci aiuta a proteggerci dalle dannose radiazioni solari. Se il nucleo della Terra non fosse così com’è, non ci sarebbe alcun campo magnetico e noi avremmo ogni sorta di problemi da affrontare.

Nessuno di noi metterà mai gli occhi sul nucleo, ma è bene sapere che c’è.