I misteri magnetici al centro della Terra

Le profondità della terra sono un luogo infernale. A più di 5000 km di profondità, un nucleo ricco di ferro brucia a temperature paragonabili a quelle della superficie del Sole, sottoposto ad una pressione paragonabile al peso di 20 balene blu rispetto a quello di un francobollo.

Questo ambiente estremo aiuta a generare il campo magnetico terrestre, la forza che agisce a livello planetario permettendo alla vita di esistere sulla sua superficie. Quando il Sole occasionalmente emette un flusso intenso di particelle elettricamente cariche in direzione della Terra, il campo magnetico le devia evitandone l’impatto con la superficie. Senza questo scudo magnetico, le tempeste solari friggerebbero ogni forma di vita possibile sulla superficie e gradualmente strapperebbero via l’atmosfera terrestre dallo stesso pianeta.

Per decenni, gli scienziati hanno dibattuto e cercato di affinare la loro comprensione del magnetismo terrestre. Il calore che fluisce attraverso il nucleo esterno liquido aiuta a rimescolare il ferro fuso, generando un campo magnetico, come ormai considerato dal consenso generale. Negli ultimi anni tuttavia, nuovi studi dello scudo magnetico terrestre hanno aperto una breccia in un nuovo aspetto. Nel 2012 gli scienziati hanno proposto che il ferro nel nucleo planetario potesse condurre calore più velocemente di quanto precedentemente pensato. Questo avrebbe implicato meno rimescolamento nel nucleo esterno e una Terra giovane con solo un debole campo magnetico, se non addirittura assente. Le antiche rocce però rivelano la presenza di un campo magnetico antico e potente che proteggeva il pianeta già miliardi di anni fa.

A gennaio, simulazioni al supercomputer hanno offerto una possibile risoluzione di questo paradosso. Simulando come gli elettroni rimbalzino intorno agli atomi di ferro alle estreme temperature e pressioni trovate nel nucleo terrestre, si è compreso come la conducibilità (o conduttività) del calore del ferro possa di fatto essere abbastanza bassa da consentire la formazione di un forte campo magnetico durante la fase giovane della Terra. Per alcune settimane, i ricercatori hanno pensato che il mistero potesse essere risolto. Nei mesi più recenti, però, esperimenti attuali che utilizzano diamanti e lasers per ricreare le condizioni intense del nucleo planetario fanno sorgere dei dubbi sul fatto che il paradosso possa essere risolto così facilmente.

Mentre la crescita e la diminuzione delle predizioni di conducibilità sembra bloccare gli scienziati, essa suggerisce che una soluzione possa essere vicina, dice Peter Driscoll, un geofisico al Carnegie Institution for Science, in Washington, D.C.

“La comunità non riuscirà mai a convergere verso una soluzione fino a quando le persone non inizieranno a spingere da entrambe le direzioni”, egli afferma. Ma vediamo di capire più in dettaglio di cosa si tratta.

Il congelamento dell’inferno

Il nucleo terrestre è una gigante macchina azionata dal calore e alimentata principalmente dall’energia rimasta dalle collisioni cosmiche, come quella che ha formato la Luna circa 4.5 miliardi di anni fa. Man mano che il pianeta si è gradualmente spento, questo calore (energia) primordiale è fluito attraverso gli strati esterni liquidi che circondano il nucleo interno solido. Parte dell’energia termica si è trasferita liberamente da atomo ad atomo tramite conduzione. La materia rimane stazionaria mentre il calore fluisce attraverso di essa, come una padella di ghisa si surriscalda su di un fornello. Quando il calore che ha attraversato il mezzo eccede ciò che lo stesso mezzo può sopportare attraverso conduzione, le parti più calde possono emergere come l’aria riscaldata in una mongolfiera, creando convezione. Nella convezione, è lo stesso mezzo a muoversi.

Questa convezione distorce il ferro fuso nel nucleo esterno. Questo liquido crea dunque una dinamo. All’interno di un campo magnetico esistente, la dinamo agisce come un generatore elettrico che induce una corrente elettrica nel ferro in movimento. Questa azione produce un suo magnetismo proprio, che rafforza e sostiene il campo magnetico originario. Se più calore fluisce tramite conduzione invece che convezione, la dinamo si indebolisce e il campo magnetico decresce.

Cinque anni fa, gli scienziati hanno pensato che il ferro nel nucleo esterno terrestre trasportasse una frazione significativa del suo calore tramite convezione. Nel 2012, piuttosto bruscamente, tutto è cambiato. Molteplici gruppi di ricerca hanno proposto in maniera indipendente l’uno dall’altro che più calore nel nucleo fosse di fatto trasportato tramite conduzione, ad un tasso da 150 a 250 watt per metro per grado Kelvin. La conduttività rappresenta la quantità di watt (cioè energia nell’unità di tempo) di energia termica che passerebbe attraverso un metro cubo ad una differenza in temperatura di 1 grado Kelvin tra due punti in contatto. Questa conduttività è stata circa tre volte più grande, da 46 a 63 W/(m•K), di quanto gli scienziati abbiamo utilizzato precedentemente. Con una conduttività così alta nel nucleo il campo magnetico sarebbe molto debole, se non del tutto inesistente. Il campo magnetico sarebbe stato così in guai seri.

“Si tratta solo di una affermazione allarmante,” dice Driscoll. “E’ raro vedere una variazione nella conduttività di un fattore tre avvenire nell’arco di una notte.” Un campo magnetico robusto generato da sola convezione termica sembrò improvvisamente improbabile.

Fortunatamente per la maggior parte delle forme di vita moderne, la convezione non è l’unico modo per generare una dinamo. Con il raffreddamento della Terra, il ferro nel suo nucleo ha iniziato a congelarsi dall’interno verso l’esterno. Il nucleo interno solido attualmente cresce di circa 6000 tonnellate al secondo. Gli elementi più leggeri come l’ossigeno e lo zolfo mescolati con il ferro in solidificazione sono espulsi nel nucleo esterno. Il galleggiamento degli elementi espulsi aiuta a rimescolare il nucleo esterno e a far si che la dinamo possa azionarsi. Fin’ora, solo circa il 4% dell’intero nucleo si è solidificato, lasciando ancora il pieno di energia per permettere al campo magnetico di rimanere in vita potenzialmente per altri miliardi di anni.

Mentre il futuro del campo magnetico è tenuto in considerazione, il suo passato pone un problema. Le stime di conduttività ottenute nel 2012 suggeriscono che il nucleo interno abbia iniziato a solidificarsi solo entro l’ultimo miliardo di anni. Prima di allora, la lenta convezione termica nel nucleo potrebbe aver generato solo un debole campo magnetico.

Ad oggi i valori delle rocce mostrano il contrario. A luglio, il geofisico John Tarduno dell’University of Rochester in New York, e colleghi, hanno presentato su Science la più antica traccia del campo magnetico terrestre. Misurando le impurità magnetiche racchiuse dentro degli antichi cristalli in Australia, i ricercatori hanno dimostrato che esisteva un campo magnetico relativamente forte, variante tra circa 12 e il 100 % di quello attuale, che avvolgeva la Terra da circa 4.2 a 3.3 miliardi di anni fa.

La storia magnetica della Terra da quei giorni lontani è rimasta confusa. I geofisici si aspettano che la forza del campo magnetico sia improvvisamente aumentata quando elementi più leggeri lasciando il nucleo interno hanno iniziato ad attivare la dinamo in un modo diverso. “Abbiamo questa nuova sorgente di energia,” dice Peter Olson, un geofisico alla Johns Hopkins University. “Stiamo alimentando la dinamo in una presa a 240-volt invece che in una a 120 volt – dovremmo vedere questo effetto.” Ma nessun salto del genere è presente nei dati, egli afferma. Nell’articolo di Science del 2013, Olson ha dato a questi dilemmi della dinamo il nome: il nuovo paradosso del nucleo. La teoria principale in uso e la storia del campo magnetico terrestre semplicemente non combaciavano, egli ha scritto.

Gli articoli del 2012 che hanno generato il paradosso non furono tuttavia l’ultima parola sulla conduttività del nucleo terrestre. Le temperature nel cuore del pianeta possono raggiungere i 6000 gradi centigradi e le pressioni possono essere oltre 3 milioni di volte quella dell’atmosfera al livello del mare. Senza un vero e proprio Viaggio al Centro della Terra, non c’è modo di ottenere direttamente misure del genere. E gli scienziati attualmente non possono fare misure accurate di conduttività in condizioni così estreme nemmeno in laboratorio. Invece gli esperimenti tipicamente vengono eseguiti a temperature inferiori, al di sotto di 1700 gradi centigradi. I risultati di queste condizioni più moderate vengono poi estrapolati alle condizioni trovate nel nucleo.

Questa estrapolazione potrebbe introdurre ambiguità perchè assume che il ferro non cambi in modo significativo il suo comportamento tra condizioni sperimentali e condizioni nel nucleo terrestre. Ma potrebbe di fatto non essere così. All’inizio di quest’anno, i ricercatori hanno annunciato che le stime di alta conduttività potrebbero aver trascurato qualcosa nel salto che c’è tra le condizioni sperimentali relativamente modeste e l’ambiente estremamente ostile presente nel nucleo della Terra – qualcosa che potrebbe risolvere il paradosso del nucleo.

Flipper di elettroni

La comprensione della conduttività del ferro richiede una profonda conoscenza di come gli elettroni si muovano intorno agli atomi. In metalli come il ferro, il libero movimento degli elettroni trasporta la carica e l’energia termica. Quanto rapidamente il metallo conduce elettricità e calore dipende da quanto liberamente questi elettroni riescono a muoversi.

Alle temperature e pressioni trovate sulla superficie della Terra, la maggior parte della resistenza al moto degli elettroni si reputa provenga dagli stessi atomi di ferro. Gli elettroni collidono con gli atomi di ferro in vibrazione, limitando il flusso di elettricità e calore. Il ferro nel nucleo, comunque, agisce in maniera piuttosto differente. La pressione nel nucleo comprime il ferro a più di 1.6 volte la sua normale densità, e l’abbondante calore fornisce agli elettroni una spinta ulteriore in velocità.

Invece di tentare di riprodurre le condizioni del nucleo in un laboratorio, i geofisici Ronald Cohen e Peng Zhang del Carnegie Institution for Science, e colleghi, hanno creato una dettagliata simulazione digitale del ferro nel nucleo della Terra. Mentre le versioni precedenti hanno utilizzato una visione semplificata di come gli elettroni possono interagire, il team di Cohen ha tracciato in modo preciso le attività di ogni singolo elettrone.

“Abbiamo tirato fuori le pistole più grandi e tenuto conto di ogni possibile interazione,” dice Cohen. “Stiamo realizzando lo stesso tipo di calcolo che si fa per predire proprietà in fisica delle alte energie presso il Large Hadron Collider.”

La simulazione del team comincia con un insieme di centiana di atomi di ferro a temperature e pressioni presenti nel nucleo terrestre. Il programma al computer processa tutte le forze quantiche in azione tra ogni atomo di ferro ed un elettrone prima di far evolvere il sistema leggermente in avanti nel tempo. Questo processo si ripete numerevoli volte fino a quando mettendo insieme ogni istante temporale si riesce a creare un video su come gli elettroni si muovono in giro. Il numero effettivo di particelle simulate e le complesse interazioni tra di loro sono incredibilmente onerose da calcolare. Anche con l’uso di supercomputer, le simulazioni non possono attualmente computare la conducibilità esatta. I ricercatori invece ripetono l’esperimento più volte fino a quando il programma riesce a stimare la conduttività del ferro con un livello di incertezza sufficientemente basso.

Alle temperature raggiunte durante esperimenti di laboratorio condotti in precedenza, le simulazioni di Cohen erano in accordo con le previsioni precedenti sulla più elevata conduttività del ferro. Oltre i 1700 gradi centigradi, però, si è verificata una sottostima delle interazioni. In aggiunta alla diffusione degli elettroni per collisione con gli atomi di ferro, gli elettroni energizzati termicamente hanno attraversato i percorsi più spesso di quanto si pensava e hanno iniziato a collidere l’uno con l’altro. Nelle condizioni del nucleo, questa $diffusione$ tra elettrone ed elettrone è diventata tanto dominante quanto quella tra elettrone e atomo di ferro. Questa aggiunta ha sostanzialmente raddoppiato la resistività del mezzo che ha causato un taglio alla conduttività termica fino a circa 105 W/(m•K), circa la metà delle stime fatte nel 2012, come riportato dai ricercatori il 29 Gennaio su Nature.

“I geofisici possono usare i nostri numeri e far si che la geofisica funzioni,” dice Cohen. “Possono spiegare la storia della dinamo della Terra nel modo in cui vogliono e hanno continuato a fare per alcuni anni.”

La nuova stima di conducibilità può in effetti far si che la dinamo funzioni, come riportato da Olson e colleghi nel fascicolo di Giugno del Physics of the Earth and Planetary Interiors. Inserendo il nuovo numero in una simulazione di flusso di calore attraverso l’interno della Terra si è ottenuta una dinamo guidata da convezione prima che si fosse formato il nucleo interno. In questo scenario, il campo magnetico si continuerebbe a rafforzare ancora durante il processo di formazione del nucleo interno. Questa spinta magnetica, comunque, sarebbe piccola, grazie alla spinta in convezione termica, e potrebbe miscelarsi con le variazioni naturali della forza del campo magnetico, dice Aleksey Smirnov, un geofisico presso il Michigan Technological University in Houghton.

Molti geofisici erano cautamente ottimisti che la nuova, ridotta conducibilità termica avrebbe aiutato ed eliminare alcuni problemi spinosi che erano emersi negli anni recenti. La nuova conducibilità era ancora solo teorica, comunque. Si necessita di risultati sperimentali per confermare la presenza di $diffusioni$ elettroni-elettroni a temperature più elevate. Ma fin’ora, questo aspetto è risultato molto difficile da realizzare.

Sotto pressione

Ricreare le intense condizioni del nucleo terrestre richiede finezza e un pò di ricchezza. Nel suo laboratorio presso il Tokyo Institute of Technology, il fisico dei minerali ad alte pressioni Kei Hirose e colleghi hanno schiacciato dei dischi di ferro puro utilizzando una morsa di diamante. I campioni di ferro sono minuscoli – solo intorno ai 20 micrometri in diametro e 10 micrometri in spessore, circa un ventesimo dello spessore di un foglio di carta per fotocopie. Queste piccole dimensioni aiutano i ricercatori a comprimere uniformemente e a riscaldare i campioni a valori simili alle condizioni estreme presenti nel centro della Terra.

Il ferro viene posto tra le punte di due diamanti da 0.2-carati, che sono poco soggetti a rompersi o schiacciarsi sotto le estreme forze richieste durante l’esperimento. Hirose paragona la forma dei diamanti al Monte Fuji, ciascuno all’incira a forma di cono con un minuscolo vertice appiattito dove è situato il campione. I ricercatori comprimono gradualmente i due diamanti insieme per almeno 30 minuti fino a quando il ferro non sia sotto pressioni simili a quelle del nucleo. Un laser ad infrarosso accuratamente posizionato riscalda dunque il campione a diverse migliaia di gradi. In ultimo il campione è pronto per essere esaminato.

Poichè gli elettroni nel ferro spostano sia carica elettrica che calore, Hirose e colleghi possono misurare la conduttività elettrica e da questo dedurre la conduttività termica. I ricercatori installano elettrodi, tipicamente costituiti da oro o platino, al ferro e immettono una corrente che passa attraverso il campione. La caduta in voltaggio attraverso il campione permette ai ricercatori di sapere quanto fortemente il ferro resiste al flusso di elettroni.

Recentemente il team di Hirose ha condotto esperimenti al di sopra della soglia di circa 1700°C a cui il gruppo di Cohen ha predetto che le collisioni tra elettroni sarebbero diventate importanti. Gli esperimenti non hanno mostrato alcuna evidenza di diffusione elettrone-elettrone, dice Hirose. Infatti, gli esperimenti non han fatto che preannunciare che il paradosso sarebbe stato ancora peggiore. Il lavoro ha suggerito che il ferro potrebbe essere addirittura più conduttivo con l’aumentare della temperatura, e pertanto meno predisposto a produrre convezione, di quanto pensato in precedenza.

Nel 2013, Hirose e colleghi predirono un trend del genere in Physics of the Earth and Planetary Interiors, suggerendo che il ferro successivamente raggiunge un punto in cui la distanza media che un elettrone percorre prima di collidere con un atomo è paragonabile alla distanza tra due stessi atomi di ferro. A questo punto, con meno ostacoli rimasti per urtare, la resistenza al movimento degli elettroni si appiattisce con l’aumentare della temperatura, sostengono i ricercatori.

“Bene, quindi siamo ritornati al paradosso per ora, a quanto sembra,” Smirnov ha detto dopo aver appreso le nuove scoperte del gruppo di Hirose.

Anche con valori così alti di conducibilità termica, il nuovo paradosso del nucleo potrebbe ancora essere risolvibile, ha detto Driscoll a Maggio durante un incontro dell’American Geophysical Union e altre organizzazioni. Un flusso di calore attraverso l’interno della Terra può generare convezione anche quando la conduttività è alta, egli sostiene.

Calore aggiuntivo potrebbe provenire dal decadimento di elementi radioattivi, propone Driscoll. In Aprile, i ricercatori hanno riportato su Nature che il nucleo potrebbe contenere una quantità significativa di uranio e torio radioattivi. Driscoll calcola che anche una quantità relativamente piccola di radioattività nel nucleo attuale potrebbe tramutarsi in una spinta considerevole per rigenerare il vecchio campo magnetico. Se solo un piccolo ammontare di radioattività riscalda il nulceo oggi, ciò significherebbe che miliardi di anni fa sarebbe stato pieno di atomi radioattivi che avrebbero aiutato ad alimentare il flusso di calore, egli spiega.

“Ci sono altre manopole che si possono girare per risolvere il problema,” dice Driscoll.

Cohen, per questo aspetto, rimane confidente che la $diffusione$ elettrone-elettrone causa la diminuzione della conduttività del nucleo. “Siamo andati indietro e abbiamo ricontrollato la robustezza dei nostri risultati, e sembra sia molto forte,” egli afferma. Egli puntualizza che gli esperimenti che hanno replicato le condizioni nel nucleo terrestre possono essere puntigliosi. E’ possibile che Hirose e colleghi abbiamo di fatto raggiunto una temperatura minore di quella riportata. Gli esperimenti successivi che verranno condotti da altri gruppi di ricerca potrebbero ancora far oscillare il pendolo in una direzione o in un’altra, egli afferma.

Per il momento, l’indovinello che riguarda il nucleo della Terra e il $campo$ magnetico continuerà a rimanere, dato che gli scienziati discutono su cosa stia succedendo a migliaia di chilometri di profondità. “Sono sicuro che ci sarà un sacco di avanti e indietro nei prossimi anni,” dice Olson. “Ma questo è un bel problema da avere. Questo è quel tipo di cosa che fa alzare la gente dalla sedia e la motiva a lavorare di più.”

L’articolo originale è reperibile QUI.