Era un giorno di primavera nel 2009 e John McNeill aveva una tasca piena di diamanti.
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Il suo consulente di dottorato, il geochimico Graham Pearson, aveva mandato McNeill in un laboratorio di Vienna con un contenitore di film che scintillava di diamanti "ultra-alti". Queste non erano le gemme scintillanti di una gioielleria, ma i diamanti grezzi e opachi che erano esplosi verso la superficie da una regione a centinaia di miglia di profondità nel mantello terrestre chiamato zona di transizione I minatori nel distretto di Juína in Brasile li avevano scoperti diversi anni prima . I gioiellieri avevano tramandato le pietre nuvolose, ma per gli scienziati questi preziosi minerali erano finestre sulla terra profonda.
In un laboratorio buio, McNeill puntò un raggio di luce sulla superficie di pietra dopo pietra, misurando lo spettro sparso dai diamanti e le loro impurità, sperando di trovare minerali in queste inclusioni che potessero dirgli come si sono formati questi diamanti.
Ciò che ha scoperto invece ha dato agli scienziati le prime prove concrete che ci fosse acqua nelle profondità della Terra. Se ci fosse un vasto serbatoio di molecole d'acqua integrate in minerali centinaia di miglia sottoterra, ciò potrebbe spiegare come il nostro pianeta blu si è evoluto in uno con tettonica a placche e acqua, e alla fine è diventato abitabile. Comprendere quel processo non è solo storico: più sappiamo cosa ha reso possibile la vita sul nostro pianeta, sostengono gli scienziati, più sapremo di come trovarne uno abitabile al di fuori del nostro sistema solare.
All'epoca, McNeill era ricercatore presso la Durham University. Quando lui e Lutz Nasdala, lo scienziato nel cui laboratorio stava lavorando, confrontarono lo spettro creato da un'impurità in uno dei diamanti contro un database di minerali, trovarono qualcosa di sorprendente: un microscopico granello di cristallo verdastro intrappolato nel diamante sembrava potrebbe essere la ringwoodite, un minerale che era stato sintetizzato solo in laboratorio o trovato su meteoriti. Non si era mai presentato in materiale proveniente dalla Terra.
Se lo fosse, sarebbe un grosso problema. La ringwoodite sintetica era nota per essere in grado di incorporare molecole d'acqua nella sua struttura. Quindi questo campione terrestre potrebbe finalmente essere in grado di risolvere un dibattito decennale sulla quantità di acqua intrappolata nella zona di transizione - uno strato che si estende da 250 a 400 miglia sotto la crosta - e come è arrivato lì.
Alla fine degli anni '80, il geofisico Joseph Smyth dell'Università del Colorado, Boulder, predisse che alcuni minerali nella zona di transizione del mantello potrebbero avere spazio nelle loro strutture per molecole d'acqua. Ma poiché nessuno poteva scavare così a fondo nella zona di transizione per dare un'occhiata diretta, la maggior parte delle prove di ciò era teorica o il risultato di esperimenti di laboratorio. Altri scienziati non erano d'accordo, osservando che il modo in cui le onde sismiche di un terremoto si muovevano sotto la superficie e la rarità dei terremoti profondi prevedevano una zona di transizione secca.
Il diamante di McNeill ha fornito una finestra delle dimensioni di un pisello su questo strato nascosto al centro della Terra, consentendo ai ricercatori di intravedere la composizione del nostro pianeta.
Circa due anni dopo, McNeill si era laureato e Pearson si era trasferito dalla Durham University per continuare le sue ricerche all'Università di Alberta in Canada. In una giornata invernale del 2011, in un laboratorio sotterraneo senza finestre, il collega di Pearson Sergei Matveev ha sospeso minuziosamente il diamante contenente la ringwoodite all'interno di un microscopio a infrarossi per analizzare il contenuto della piccola inclusione.
Matveev ha impiegato alcune ore per posizionare il diamante giusto per poter effettuare una misurazione. Ma una volta che l'aveva messo in atto, ci sono voluti solo pochi minuti per ottenere i loro risultati: la ringwoodite conteneva acqua.
Matveev cercò di mantenere la calma, ma Pearson era eccitato. Preferisce non ripetere ciò che ha detto nel momento in cui ha capito che la teoria e gli esperimenti di laboratorio potevano ora essere supportati da un'osservazione diretta dell'acqua dal profondo del mantello terrestre.
"Forse non è stampabile", dice.
Un cristallo bluastro di ringwoodite all'interno di una cella di incudine di diamanti. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson e i loro colleghi hanno pubblicato la loro scoperta sulla rivista Nature nel 2014, ma la domanda è rimasta: quanto è stato rappresentativo questo piccolo diamante dell'intera zona di transizione? I due scienziati sono stati attenti a notare che il loro documento forniva la prova dell'acqua solo nella piccola tasca del mantello dove si era formato questo diamante.
Se questo minuscolo campione di ringwoodite fosse veramente rappresentativo, la zona di transizione potrebbe contenere quanta più acqua di tutti gli oceani della Terra, forse di più. E se lo facesse, potrebbe aiutare a spiegare come si muovono le tettoniche a placche, formando montagne e vulcani.
Il geofisico Steve Jacobsen della Northwestern University mette in guardia dall'immaginare quest'acqua mentre gli oceani sotterranei di Jules Verne si riempiono di mostri marini. Invece, paragona l'acqua della zona di transizione al latte in una torta. Il latte liquido entra nella pastella, ma una volta che la torta esce dal forno, i componenti del latte liquido vengono incorporati nella struttura della torta: non è più bagnato, ma è ancora lì.
E Jacobsen pensava di avere un modo per scoprire quanta parte di quest'acqua fosse "cotta" nella Terra sotto il Nord America.
All'interno del nostro pianeta, la roccia incredibilmente calda e leggermente viscosa si sposta verso la superficie in alcuni punti, mentre in altri trasuda verso il nucleo in una corrente lenta chiamata convezione. Mentre i minerali come la ringwoodite transitano dalle profondità più alte a quelle più basse del mantello, le alte temperature e le pressioni deformano la struttura del minerale. La ringwoodite dai riflessi blu, ad esempio, inizia come un cristallo verde chiamato olivina vicino alla superficie, metamorfosi in ringwoodite nella zona di transizione e si trasforma in bridgmanite mentre si sposta sul mantello inferiore. Ma a differenza della ringwoodite, la bridgmanite non trattiene l'acqua.
Jacobsen teorizzò che se la ringwoodite nella zona di transizione contenesse davvero tanta acqua come suggeriva il diamante di Pearson, allora l'acqua trasuderebbe dalla ringwoodite come magma quando il minerale veniva spremuto e riscaldato per diventare bridgmanite.
Così Jacobsen produsse la ringwoodite che conteneva acqua in laboratorio, la strinse tra due diamanti in una morsa tascabile chiamata pressa a incudine di diamanti e la riscaldò con un laser ad alta potenza. Quando esaminò i risultati, scoprì che le alte temperature e le pressioni avevano effettivamente spremuto l'acqua dalla pietra, creando minuscole goccioline di magma.
Jacobsen pensava che se la ringwoodite trasudava effettivamente magma ricco d'acqua mentre veniva premuto nel mantello inferiore, allora queste macchie di magma avrebbero dovuto rallentare le onde sismiche di un terremoto, creando una sorta di firma sismica per l'acqua.
Così Jacobsen ha collaborato con il sismologo Brandon Schmandt dell'Università del New Mexico per cercare queste firme nei dati raccolti dalla griglia di sismometri mobili della National Science Foundation chiamata US Array che si muoveva lentamente verso est attraverso il Nord America. I ricercatori hanno visto il singhiozzo sismico che avevano predetto proprio dove pensavano di fare, al confine tra la zona di transizione e il mantello inferiore della Terra.
Quando cerca di descrivere cosa significano questi risultati per lui, Jacobsen è a corto di parole. "Questo è stato davvero il punto in cui ho sentito che gli ultimi 20 anni della mia ricerca sono stati utili", afferma infine. Lui e Schmandt avevano trovato prove che l'acqua era intrappolata nella zona di transizione del mantello sotto la maggior parte degli Stati Uniti e hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Science nel 2014.
Ma c'era ancora un grande punto cieco: nessuno sapeva da dove venisse quest'acqua.
I lavoratori estraggono diamanti nella regione di Juina in Brasile. (Graham Pearson / Università di Alberta) Nel settembre 2014, Alexander Sobolev ha iniziato a cercare campioni "freschi" di rocce laviche rare, di 2, 7 miliardi di anni, chiamate komatiites, nella speranza di sapere come si sono formate.
Sobolev, professore di geochimica all'università di Grenoble Alpes in Francia, si fece strada tra le parti della cintura greenstone canadese Abitibi con un martello, toccando i komatiiti che sembravano promettenti e ascoltando attentamente le percussioni sottili. I migliori, dice, producono un suono pulito e bello.
Sobolev e i suoi colleghi Nicholas Arndt, anch'essi dell'Università di Grenoble Alpes, e Evgeny Asafov del Vernadsky Institute of Geochemistry della Russia hanno raccolto frammenti di queste rocce a grandezza di pugno per riportarli in Francia. Lì li schiacciarono ed estrassero i minuscoli chicchi verdi di olivina annidati all'interno prima di inviare i frammenti di olivina in Russia per riscaldarli a oltre 2.400 gradi F e quindi raffreddarli rapidamente. Hanno analizzato le inclusioni fuse e raffreddate intrappolate all'interno dell'olivina per capire cosa fosse successo ai pennacchi di magma mentre si lanciavano attraverso il mantello.
Il team di Sobolev ha scoperto che mentre questi komatiiti non contenevano tanta acqua quanto la ringwoodite di Pearson, sembrava che il magma che li aveva formati avesse raccolto e incorporato una piccola quantità di acqua mentre viaggiava attraverso il mantello, probabilmente quando passava attraverso la transizione zona. Ciò significherebbe che la zona di transizione del mantello conteneva acqua 2, 7 miliardi di anni fa.
Questo momento è importante perché ci sono una serie di teorie diverse, ma potenzialmente complementari, su quando e come la Terra ha acquisito la sua acqua e come questa acqua si è fatta strada in profondità nel mantello.
La prima teoria afferma che il giovane pianeta Terra fosse troppo caldo per trattenere l'acqua e che arrivò più tardi, facendo l'autostop su meteoriti o comete molliccie. Quest'acqua poi scivolò nel mantello quando le placche tettoniche si spostarono l'una sull'altra in un processo chiamato subduzione. La seconda teoria afferma che l'acqua è stata sul nostro pianeta sin dall'inizio, cioè da quando una nuvola di gas e polvere si è coalizzata per formare il nostro sistema solare 4, 6 miliardi di anni fa. Quest'acqua primordiale avrebbe potuto essere intrappolata all'interno della Terra durante il suo accrescimento, e in qualche modo è riuscita a resistere al caldo torrido del giovane pianeta.
Quindi se l'acqua si trovava nella zona di transizione della Terra 2, 7 miliardi di anni fa, dice Sobolev, significa che o il movimento delle placche tettoniche doveva essere iniziato molto prima nella storia del pianeta di quanto gli scienziati credano attualmente, o che l'acqua era qui fin dall'inizio .
Lydia Hallis, per esempio, sospetta che l'acqua sia stata lì da sempre. Hallis, una scienziata planetaria presso l'Università di Glasgow, parecchi anni fa ha confrontato quelli che lei chiama i diversi "sapori" di acqua nelle antiche rocce dal mantello profondo e nell'acqua di mare normale. Mentre la subduzione mescola l'acqua ai livelli superiori del mantello, le porzioni più profonde rimangono relativamente incontaminate.
L'acqua è composta da due molecole di idrogeno e una molecola di ossigeno. A volte, quando è incorporato nelle rocce, in realtà è costituito da un idrogeno e un ossigeno, chiamato gruppo idrossile. Diverse forme o isotopi di idrogeno hanno pesi molecolari diversi e l'isotopo di idrogeno più pesante è noto come deuterio.
Gli scienziati pensano che nel punto del nascente sistema solare in cui si è formata la Terra, l'acqua conteneva molto più idrogeno regolare del deuterio. Ma poiché l'acqua ha persistito sulla superficie terrestre, le molecole di idrogeno più leggere sono fuggite nello spazio più facilmente, concentrando il deuterio nella nostra atmosfera e negli oceani.
Hallis ha scoperto che l'acqua intrappolata nelle pietre dell'Artico canadese che erano formate dal magma che originava in profondità nel mantello terrestre aveva un rapporto deuterio-idrogeno inferiore rispetto all'acqua di mare. Il rapporto tra quelle pietre assomigliava più da vicino a quello che gli scienziati pensano che fosse l'acqua primordiale, suggerendo che l'acqua era un componente del mantello terrestre sin dall'inizio.
Ciò non esclude la possibilità che anche rocce umide dello spazio colpissero la Terra e condividessero parte della loro acqua. Ma il dibattito continua. "È così che funziona la scienza", dice Hallis. "Hai ragione, fino a quando qualcuno non ti dimostrerà di aver torto."
Una cella con incudine di diamante viene utilizzata per simulare le condizioni in profondità all'interno della Terra, schiacciando i campioni usando enormi pressioni. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson si chiedeva se esaminando i rapporti tra deuterio e idrogeno nella sua inclusione di ringwoodite potesse dirgli di più se l'acqua nella zona di transizione era primordiale, se era lì a causa della subduzione o se era un po 'di entrambi.
Reclutò Mederic Palot - un geochimico attualmente all'Università Jean Monnet in Francia - per lucidare il diamante fino all'inclusione della ringwoodite in modo che potessero analizzare le molecole di idrogeno intrappolate all'interno. È stato un processo rischioso. Sollevare un diamante da tali profondità significava che le sue parti interne erano molto sollecitate. Tagliare e lucidare il diamante potrebbe danneggiarlo e la sua inclusione oltre ogni riparazione.
Palot era attento. Ha creato una sorta di dissipatore di calore fatto di ghiaccio secco in modo che il diamante non si surriscaldasse mentre rasava minuscole schegge dalla superficie del minerale con un laser. Dopo ogni minuto di lucidatura, ha portato il diamante al microscopio per assicurarsi che la preziosa inclusione della ringwoodite fosse ancora lì.
Dopo 12 ore di lucidatura, Palot sapeva che si stava avvicinando all'inclusione. Controllò il diamante al microscopio alle 23:00, quasi lì. Lucidò per un altro minuto e poi controllò di nuovo il diamante. L'inclusione era sparita.
Palot lo cercò freneticamente per un'intera giornata, scrutando l'area intorno al microscopio alla ricerca di un granello di ringwoodite più piccolo di un granello di polvere.
Ricorda la terribile sensazione di dover chiamare Pearson per fornire la notizia che l'unico campione di ringwoodite mai scoperto che si era formato sulla Terra era sparito.
Ma Pearson stava già pensando al prossimo progetto. "Ha detto: 'Questo è un gioco, sappiamo che ci siamo messi a giocare'", ricorda Palot. E poi Pearson gli disse che avevano un altro campione che potrebbe essere interessante. Di recente aveva fatto un viaggio nella stessa regione del Brasile da cui proveniva il diamante contenente la ringwoodite, e aveva riportato nuove gemme, ognuna con promettenti inclusioni da studiare. Ora, Palot, Pearson, Jacobsen e altri stanno lavorando insieme per analizzare un diamante ancora più profondo all'interno del mantello.
Per Palot e ciascuno di questi scienziati, guardare i cristalli che emergono dal profondo del nostro pianeta è molto più che identificare gli ingredienti che sono stati cotti nella Terra miliardi di anni fa.
"Tutto questo riguarda la vita stessa", afferma Palot. “Sappiamo che la vita è strettamente legata all'acqua. Se conosciamo meglio il ciclo dell'acqua, sappiamo meglio come è nata la vita. "
E se sappiamo come la vita ha avuto origine sul nostro pianeta, potrebbe potenzialmente aiutarci a trovare la vita - o condizioni di sostegno della vita - sugli altri.
Jacobsen aggiunge: "Stiamo scoprendo pianeti potenzialmente abitabili al di fuori del nostro sistema solare. E più sappiamo come appare un pianeta abitabile, più saremo in grado di riconoscerli. "
La loro ricerca di acqua nelle profondità della Terra, afferma Jacobsen, non è mai stata così rilevante.
Ulteriori informazioni su questa ricerca e altro presso l'Osservatorio Deep Carbon.
