Scienze

Alla scoperta del Nucleo della Terra

[caption id="attachment_83" align="alignleft" width="300" caption="Il Telescopio Spaziale Hubble"][/caption] Questa storia ha inizio nel lontano 1997. Il...

Il Telescopio Spaziale Hubble

Questa storia ha inizio nel lontano 1997. Il telescopio spaziale Hubble era stato oggetto da poco più di un mese di una missione di manutenzione da parte di un gruppo di astronauti che lo aveva raggiunto a bordo dello Space Shuttle Discovery. L’operazione aveva annesso al telescopio vari strumenti per lo studio dello spazio profondo, tra i quali lo Space Telescope Imaging Spectrograph, per un valore complessivo di 136 milioni di dollari. Nel mese di marzo gli astronomi a Terra iniziarono a verificare la validità di quegli strumenti: ma alle prime prove notavano che c’era qualcosa di strano. Scariche misteriose Scariche elettriche molto potenti attraversavano gli strumenti elettronici mettendo in pericolo la loro sopravvivenza. Vennero così allertati i centri di assistenza della Nasa, tra i quali il gruppo che studia e analizza gli effetti delle radiazioni cosmiche sugli strumenti dei satelliti, guidato da Ken LaBel. “Notammo –spiega l’ingegnere- che le scariche elettriche non avvenivano a caso, ma solo quando il telescopio passava al largo delle coste orientali dell’America meridionale”. Tutta colpa del nucleo Le ricerche per trovare la soluzione portarono a scoprire che le cause non erano da imputare né allo spazio, né agli strumenti a bordo dell’Hubble, bensì al nucleo della Terra. Un mistero, per svelare il quale è necessario una breve digressione. Ancora oggi l’interno del nostro pianeta è più indecifrabile che non la superficie di Saturno, anche se questi si trova ad oltre un miliardo di chilometri da noi, mentre il centro della Terra è a non più di 6.400 km. Viaggio al centro della Terra Nessuno ha mai progettato di raggiungerlo perché impossibile con qualsiasi tecnologia a disposizione, tant’è che il pozzo più profondo mai realizzato è arrivato a circa 12.000 m di profondità, non più dello 0,2% del raggio terrestre. E per una simile impresa ci sono voluti più di 10 anni. Eppure il nucleo occupa un posto di notevole rilevanza all’interno della Terra. Esso infatti, ha un diametro di circa 3.500 km e quindi è più grande di Marte. E come il cuore di un essere vivente le sue pulsazioni rendono vivo il pianeta. È dal suo calore infatti, che gigantesche risalite di magma muovono le placche terrestri, da cui prendono vita i vulcani e i terremoti. E i suoi movimenti interni sono responsabili dell’esistenza del campo magnetico del nostro pianeta, indispensabile per riparare la Terra dalle radiazioni cosmiche, micidiali per la vita.

Studiare i terremoti Ad oggi l’unica strada per studiare con un certo dettaglio la struttura del nucleo terrestre e ciò che gli sta attorno sono le onde sismiche. Durante un violento terremoto infatti, si generano vari tipi di onde: alcune, quelle di compressione, sono in grado di attraversare solidi e liquidi, altre, le onde ondulatorie, di attraversare solo i solidi. E così rilevando il loro arrivo attraverso numerosi sismografi posti in molte parti della Terra si è potuto stabilire che il nucleo è come una gigantesca matrioska: un involucro esterno, liquido, nasconde un nocciolo interno, solido (la causa della differente caratteristica fisica è da ricercare nelle diverse pressioni che si incontrano andando in profondità, dove a parità di temperatura che si ritrovano a quelle profondità giocano il ruolo fondamentale nel rendere liquido o solido il materiale). E forse, il nucleo interno, avvolge uno o più nuclei molto più piccoli e a composizione diversa dei precedenti. Di che cos'è fatto il nucleo? Ma aver capito che il nucleo è composto da involucri diversi non è sufficiente per avere un’idea della sua composizione. Per determinare ciò si è partiti da molto lontano, ossia dalla nascita della Terra, 4,5 miliardi di anni fa. Stando all’ipotesi più accettata della sua formazione, che vuole l’aggregazione di corpi più piccoli che scontrandosi fondevano tra loro, si è dedotto che i materiali più pesanti (come il ferro o l’uranio) devono essere sprofondati nel cuore della Terra liquida, qual era ai suoi primordi. E così si è giunti ad ipotizzare che il nucleo deve essere composto principalmente da ferro e da nichel, (molto abbondanti ancor oggi negli asteroidi primordiali) e materiali ancor più pesanti, come l’uranio, ad esempio, che devono essere precipitati al centro del nucleo di ferro e nichel a formare un nocciolo di alcune centinaia di chilometri di diametro. Il ferro nel cuore L’ipotesi di un nucleo prevalentemente ferroso è stata poi confermata da misure sulla densità del pianeta e dalle onde sismiche, la cui velocità di propagazione all’interno del nucleo si avvicina di molto a quella del ferro. E se c’è del ferro liquido in continuo movimento questo potrebbe produrre delle correnti elettriche così intense da essere la causa prima della formazione del campo magnetico terrestre. Domande senza risposta Questo quadro generale nasconde due quesiti che da alcuni anni stanno assillando i geologi. Il primo è questo: cosa sta succedendo al campo magnetico nell’area che va dal Sud America fino all’Africa e che contiene lo spazio di cielo dove l’Hubble Space Telescope ed altri satelliti hanno avuto problemi? In quella parte di mondo infatti, il campo magnetico terrestre è notevolmente meno intenso che nel resto del pianeta, tanto che l’area viene chiamata “South Atlantic Anomaly”. Va ricordato però che in quella regione del globo le “Fasce interne di Van Allen” (costituite da una cintura di varie particelle catturate dal campo magentico terrestre, tra cui elettroni e protoni) sono più vicine alla superficie della Terra. I due elementi fanno si che una maggiore quantità di radiazioni si avvicina alla superficie terrestre ed è così che i protoni interagiscono con l’elettronica dei satelliti, Hubble compreso. In questa regione del cielo, gli astronauti a bordo degli Space Shuttle affermarono più volte di aver avuto l’impressione di vedere delle “stelline” anche con gli occhi chiusi. Molto probabilmente erano le conseguenze del bombardamento del cervello da parte di tali radiazioni. Il motivo per cui le fasce di Van Allen sono più vicine alla superficie terrestre è spiegato dal fatto che l’asse del campo magnetico è spostato al Polo Sud di circa 25° rispetto a quello di rotazione e questo fa si che le fasce di Van Allen siamo più schiacciate in prossimità dell’anomalia sud-atlantica e conseguentemente la fascia di particelle risulta più vicina alla Terra; ma perché qui il campo magnetico è più debole rispetto al resto del pianeta rimane un problema senza risposta. Forse però non è lontano il giorno in cui si arriverà alla spiegazione se gli esperimenti di Dan Lathrop della University of Maryland (Usa) andranno a buon fine. Il ricercatore infatti, ha da poco finito di costruire un nucleo terrestre in miniatura. Un palla d’acciaio del diametro di circa 3 m e pesante 22 tonnellate verrà riempita con 12 tonnellate di sodio liquido. Quindi verrà fatta ruotare a 140 km all’ora. Come il ferro e il nickel che si trovano al centro del pianeta, il sodio (che possiede caratteristiche chimiche simili al ferro) produrrà un campo magnetico che potrà essere studiato nei dettagli dal ricercatore. “La maggior parte della gente pensa che il campo magnetico terrestre si comporti esattamente come una calamita con un polo nord e un polo sud. La realtà invece è ben diversa”, spiega Lathrop. “Il campo magnetico terrestre infatti, è molto complesso. Ci sono aree dove è più intenso e altro dove lo è di meno. E queste aree si spostano lentamente da un luogo all’altro. Nessun computer è in grado di prevedere cosa può succede all’interno della Terra. Ecco perché è necessario un esperimento empirico”. Lathrop spera così di poter capire come si forma e come muta il campo magnetico del pianeta osservando quello che si produrrà facendo ruotare il sodio liquido. Un esperimento molto importante perché si spera di capire se l’indebolimento del campo magnetico a macchia di leopardo può portare ad una sua inversione, portando il Polo nord al Polo sud e viceversa. Un fenomeno che sulla Terra avviene con una certa regolarità. L’ultima volta accadde circa 800.000 anni fa e poiché questo è anche il valore medio che distanzia tra un’inversione dall’altra non è da escludere che siamo vicini alla prossima.

Campo magnetico terrestre

La seconda domanda alla quale i geologi vogliono dare una risposta riguarda la velocità con la quale si propagano le onde sismiche all’interno del nucleo. Calcoli molto raffinati hanno permesso di evidenziare che le onde che si propagano da nord a sud viaggiano con una velocità del 3% superiore a quelle che si muovono da est ad ovest. Perché? Anche in questo caso l’esperimento è la miglior strada per dare una risposta. Ci ha provato Kei Hirose del Tokyo Institute of Technology, il quale ha spiegato. “Ho voluto realizzare un viaggio al centro della Terra nel mio laboratorio. Ho preso un pezzo di ferro e nickel nelle proporzioni simili a quelle che dovrebbero esserci nel cuore del pianeta, quindi l’ho sottoposto a pressioni di 3 milioni di volte superiori a quelle presenti sulla superficie della Terra e a temperature di 4.700° C e ho verificato cosa è successo”. Ci sono voluti mesi prima di riuscire nell’esperimento perché la preparazione del campione è molto complessa e più di un campione non è sopravvissuto alle pressioni di due denti di diamante e a un fascio laser che lo hanno sottoposto alle altissime pressioni e temperatura simili a quelle del nucleo terrestre, ma alla fine i risultati sono arrivati. “Attraverso le analisi ai raggi X del campione abbiamo visto che a quelle condizioni il ferro e il nickel cambiano la loro struttura cristallina e soprattutto i cristalli di ferro sono cresciuti in dimensioni di circa 1.000 volte, pur rimanendo del tutto stabili”. Ciò significa, che il nucleo interno potrebbe essere composto da pochi minerali, ma di dimensioni enormi. “Non è da escludere che essi possano raggiungere lunghezze di 10 km e più”, spiega Hirose. Foresta di cristalli Il nucleo della Terra dunque potrebbe essere immaginato come una gigantesca foresta di cristalli posti con il lato allungato con direzione nord-sud. Questa situazione spiegherebbe anche perché la velocità delle onde sismiche che si muovono da nord a sud è superiore a quelle ad esse perpendicolari. Forse, dunque, il viaggio al centro della Terra dell’uomo, concretamente possibile solo nei film di fantascienza, sta diventando una realtà in alcuni laboratori del pianeta.

25 gennaio 2012 Luigi Bignami
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