SIMULAZIONI AD ALTE PRESSIONI E TEMPERATURE

Carbonio che viene da lontano

Uno studio apparso sull’ultimo numero di Nature Geoscience dimostra che l’abbondanza di elementi volatili nel mantello terrestre potrebbe essere spiegata da una collisione, avvenuta dopo 100 milioni di anni dalla formazione del Sistema solare, tra la Terra e un pianeta simile a Mercurio. L’impatto avrebbe permesso ai due nuclei e ai due mantelli di fondersi

Il rapporto tra gli elementi volatili nel mantello terrestre suggerisce che il carbonio presente sul nostro pianeta sia arrivato da una collisione con un pianeta simile a Mercurio circa 100 milioni di anni dopo la formazione della Terra. Nell’immagine, una rappresentazione artistica dell’impatto. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Il rapporto tra gli elementi volatili nel mantello terrestre suggerisce che il carbonio presente sul nostro pianeta sia arrivato da una collisione con un pianeta simile a Mercurio circa 100 milioni di anni dopo la formazione della Terra. Nell’immagine, una rappresentazione artistica dell’impatto. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Tutto il carbonio presente sulla Terra potrebbe provenire da una collisione avvenuta circa 4.4 miliardi di anni fa tra il nostro pianeta e un oggetto simile a Mercurio. Questo il risultato di uno studio presentato da un team internazionale, guidato da ricercatori della Rice University, e pubblicato sull’ultimo numero di Nature Geoscience.

La ricerca scaturisce da una domanda su cui si dibatte a lungo nel campo della geologia: come si è sviluppata la vita sulla Terra, se consideriamo che è basata sul carbonio e che questo elemento avrebbe dovuto evaporare nelle prime fasi di vita del pianeta, o rimanere bloccato nel suo nucleo?

«La sfida è quella di spiegare l’origine degli elementi volatili, come il carbonio, che restano al di fuori del nucleo, nella regione chiamata mantello», dice Rajdeep Dasgupta, ricercatore presso la Rice University e co-autore dell’articolo. Il laboratorio di Dasgupta è specializzato nel ricreare le condizioni di alta pressione e alta temperatura che si creano negli strati più profondi dei pianeti rocciosi. Le rocce vengono compresse simulando le condizioni presenti a circa 400 km di profondità sulla Terra, o al confine tra il nucleo e il mantello per pianeti più piccoli come Mercurio.

Il nucleo della Terra è composto principalmente da ferro e rappresenta circa un terzo della massa del pianeta. Il mantello, fatto di silicati, occupa gli altri due terzi e si estende per oltre 2500 km di profondità. La crosta e l’atmosfera terrestre sono così sottili da rappresentare meno dell’un percento della massa del pianeta. Se il quantitativo iniziale di carbonio è stato disperso nello spazio o è rimasto bloccato nel nucleo, da dove viene quello che osserviamo oggi nel mantello e nella biosfera?

«Una risposta frequente a questa domanda è che gli elementi volatili come carbonio, zolfo, azoto e idrogeno sono stati aggiunti dopo che il nucleo terrestre ha completato la propria formazione», spiega Yuan Li, ricercatore presso il Guangzhou Institute of Geochemistry in Cina e primo autore dello studio. «Ciascuno di questi elementi, se fossero arrivati sulla Terra attraverso meteoriti e comete oltre 100 milioni di anni dopo la formazione del Sistema solare, potrebbero aver evitato l’intenso calore del magma che ricopriva la Terra fino a quel momento. L’unico problema è che, se da un lato questa teoria è in grado di spiegare l’abbondanza degli elementi volatili, non ci sono meteoriti che possano riprodurre il rapporto osservato sul nostro pianeta tra questi elementi e i silicati».

Rappresentazione schematica della fusione della Terra con un pianeta simile a Mercurio. I pianeti embrionali potrebbero aver sviluppato nuclei ricchi di silicio o zolfo, e strati esterni ricchi di carbonio. Se la Terra si fosse fusa con un pianeta di questo tipo nelle prime fasi della sua vita, allora potremmo spiegarci le origini delle abbondanze osservate di carbonio e zolfo. Crediti: Rajdeep Dasgupta

Rappresentazione schematica della fusione della Terra con un pianeta simile a Mercurio. I pianeti embrionali potrebbero aver sviluppato nuclei ricchi di silicio o zolfo, e strati esterni ricchi di carbonio. Se la Terra si fosse fusa con un pianeta di questo tipo nelle prime fasi della sua vita, allora potremmo spiegarci le origini delle abbondanze osservate di carbonio e zolfo. Crediti: Rajdeep Dasgupta

Alla fine del 2013 il team ha deciso di affrontare il problema da un punto di vista differente, cercando di misurare quanto lo zolfo o il silicio possono alterare l’affinità del ferro con il carbonio. L’idea non è nata dallo studio della Terra, ma di altri pianeti rocciosi nelle nostre vicinanze.

«Abbiamo cercato di allontanarci dalla composizione classica del nucleo, che prevede ferro, nichel e carbonio, e abbiamo iniziato a esplorare leghe ricche di zolfo e di silicio», dice Dargupta. «La scelta è caduta su questi elementi perché si pensa che il nucleo di mMarte sia ricco di zolfo, mentre quello di Mercurio potrebbe contenere molto silicio».

Gli esperimenti hanno dimostrato che se il nucleo fosse ricco di silicio o zolfo, il carbonio potrebbe essere del tutto escluso dal nucleo, e rimanere confinato nel mantello. Il team ha mappato le concentrazioni di carbonio che deriverebbero da vari livelli di arricchimento di zolfo e silicio, e i ricercatori hanno potuto confrontare le concentrazioni di volatili del mantello previste con quelle osservate.

«Uno scenario in grado di prevedere il rapporto tra carbonio e zolfo e l’abbondanza di carbonio è che un pianeta embrionale simile a Mercurio, che aveva già formato un nucleo ricco di silicio, sia entrato in collisione con la Terra e ne sia stato inghiottito», spiega Dasgupta. «Dal momento che si tratta di un corpo massiccio, l’impatto potrebbe aver fuso tra loro i due nuclei planetari, mescolando i due mantelli e arricchendo di carbonio quello terrestre».

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Fonte: Media INAF | Scritto da Elisa Nichelli