Il cuore pulsante del nostro pianeta è rimasto un mistero per gli scienziati che cercano come si è formata la Terra e cosa è andato nella sua creazione. Ma uno studio recente è stato in grado di ricreare le intense pressioni che si avvicinano a quelle che si trovano nel centro della Terra, dando ai ricercatori uno sguardo ai primi giorni del nostro pianeta e persino a come potrebbe apparire il nucleo ora.
Hanno annunciato le loro scoperte in un recente numero della rivista Science . "Se scopriamo quali elementi sono nel nucleo, possiamo capire meglio le condizioni in cui si è formata la Terra, che ci informerà sulla storia del sistema solare iniziale", ha detto l'autore principale dello studio Anat Shahar, geochimico presso il Carnegie Institution for Science a Washington, DC Potrebbe anche dare un'occhiata ai ricercatori su come altri pianeti rocciosi, sia nel nostro sistema solare che oltre, sono diventati realtà.
La Terra si è formata circa 4, 6 miliardi di anni fa attraverso innumerevoli collisioni tra corpi rocciosi di dimensioni variabili dagli oggetti delle dimensioni di Marte fino agli asteroidi. Con il crescere della Terra, aumentarono anche la sua pressione interna e la sua temperatura.
Ciò aveva implicazioni su come il ferro - che costituisce la maggior parte del nucleo terrestre - interagiva chimicamente con elementi più leggeri come idrogeno, ossigeno e carbonio, poiché il metallo più pesante si separava dal mantello e affondava all'interno del pianeta. Il mantello è lo strato proprio sotto la crosta terrestre e il movimento della roccia fusa attraverso questa regione guida la tettonica a zolle.
Gli scienziati hanno da tempo riconosciuto che il cambiamento delle temperature può influenzare il grado in cui una versione, o isotopo, di un elemento come il ferro diventa parte del nucleo. Questo processo si chiama frazionamento isotopico.
Prima d'ora, tuttavia, la pressione non era considerata una variabile critica che influenzava questo processo. "Negli anni '60 e '70, sono stati condotti esperimenti alla ricerca di questi effetti di pressione e nessuno è stato trovato", afferma Shahar, che fa parte del programma dell'Osservatorio del carbonio profondo. "Ora sappiamo che le pressioni a cui stavano testando - circa due gigapascal [GPa] - non erano abbastanza alte."
Un articolo del 2009 di un altro team ha suggerito che la pressione avrebbe potuto influenzare gli elementi che lo hanno reso il nucleo del nostro pianeta. Quindi Shahar e il suo team hanno deciso di indagare di nuovo sui suoi effetti, ma utilizzando apparecchiature che potrebbero raggiungere pressioni fino a 40 GPa, molto più vicine ai 60 GPa che gli scienziati ritengono essere la media durante la prima formazione della Terra.
Negli esperimenti condotti presso la Advanced Photon Source del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, una struttura utente dell'Ufficio della Scienza dell'Argonne National Laboratory in Illinois, il team ha posizionato piccoli campioni di ferro mescolati con idrogeno, carbonio o ossigeno tra i punti di due diamanti. I lati di questa "cella a incudine di diamante" sono stati quindi schiacciati insieme per generare pressioni immense.
Successivamente, i campioni di ferro trasformati sono stati bombardati con raggi X ad alta potenza. "Utilizziamo i raggi X per sondare le proprietà vibrazionali delle fasi del ferro", ha detto Shahar. Le varie frequenze di vibrazione le dicevano quali versioni di ferro aveva nei suoi campioni.
Ciò che il team ha scoperto è che la pressione estrema influisce sul frazionamento isotopico. In particolare, il team ha scoperto che le reazioni tra ferro e idrogeno o carbonio - due elementi considerati presenti nel nucleo - avrebbero dovuto lasciare una firma nelle rocce del mantello. Ma quella firma non è mai stata trovata.
"Pertanto, non pensiamo che l'idrogeno e il carbonio siano i principali elementi luminosi nel nucleo", ha detto Shahar.
Al contrario, la combinazione di ferro e ossigeno non avrebbe lasciato traccia nel mantello, secondo gli esperimenti del gruppo. Quindi è ancora possibile che l'ossigeno possa essere uno degli elementi più leggeri nel nucleo della Terra.
I risultati supportano l'ipotesi che ossigeno e silicio costituiscano la maggior parte degli elementi luminosi disciolti nel nucleo della Terra, afferma Joseph O'Rourke, geofisico della Caltech di Pasadena, in California, che non è stato coinvolto nello studio.
"L'ossigeno e il silicio sono estremamente abbondanti nel mantello e sappiamo che sono solubili in ferro ad alta temperatura e pressioni", dice O'Rourke. "Poiché l'ossigeno e il silicio sono sostanzialmente garantiti per entrare nel nucleo, non c'è molto spazio per altri candidati come l'idrogeno e il carbonio".
Shahar ha detto che il suo team ha in programma di ripetere il loro esperimento con silicio e zolfo, altri possibili componenti del nucleo. Ora che hanno dimostrato che la pressione può influenzare il frazionamento, il gruppo prevede anche di esaminare gli effetti della pressione e della temperatura insieme, che prevedono che produrranno risultati diversi rispetto a uno solo. “I nostri esperimenti sono stati tutti condotti con campioni di ferro solido a temperatura ambiente. Ma durante la formazione del nucleo, tutto è stato sciolto ", ha detto Shahar.
I risultati di tali esperimenti potrebbero avere rilevanza per gli esopianeti o pianeti al di là del nostro sistema solare, affermano gli scienziati. "Perché per gli esopianeti, puoi vedere solo le loro superfici o atmosfere", ha detto Shahar. Ma in che modo i loro interni influenzano ciò che accade in superficie, ha chiesto. "La risposta a queste domande influenzerà se c'è o meno la vita su un pianeta."
Ulteriori informazioni su questa ricerca e altro presso l'Osservatorio Deep Carbon.
Nota del redattore, 5 maggio 2016: Questa storia originariamente collocava il sito degli esperimenti a Washington, DC. Furono condotti in un laboratorio nell'Illinois.
