Idrogeno dal nucleo terrestre risale e modifica il mantello
Simulazioni dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, a Hefei, indicano che gli scambi tra nucleo e mantello sono ancora in corso. Le tracce emergono anche nei basalti delle isole oceaniche.
La Terra conserva nel mantello tracce di uno scambio chimico ancora in corso con il suo nucleo. Secondo un nuovo studio, l’idrogeno che risale dalle profondità del pianeta contribuisce a modificare la composizione degli strati superiori. La scoperta aiuta a distinguere le impronte lasciate dalla formazione della Terra da quelle prodotte dalla sua evoluzione successiva.
Dalla Terra primordiale agli scambi attuali
All’inizio, circa 4,5 miliardi di anni fa, il pianeta era una sfera fusa, avvolta da un oceano globale di lava e colpita da rocce spaziali. Oggi il nucleo metallico è ancora incandescente, ma non è accessibile all’osservazione diretta. Può però inviare elementi chimici verso l’alto attraverso gli strati terrestri. Tra questi c’è l’idrogeno catturato dalla nube di gas e polveri da cui si formò il Sole: rimasto intrappolato nel nucleo, può risalire e trasformarsi in acqua nel mantello e nella crosta, dove resta incorporata nei minerali.
Merikanto/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0
Un gruppo di geoscienziati dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, a Hefei, ha indagato una questione dibattuta da tempo: le differenze chimiche nel mantello profondo sono il residuo della cristallizzazione della Terra, nata come una sfera di magma, oppure indicano che nucleo e mantello si scambiano elementi da miliardi di anni? La ricerca, pubblicata su Science Advances, ha affrontato il problema con simulazioni a integrale di cammino potenziate dall’apprendimento automatico, un metodo che permette di studiare il comportamento quantistico di atomi e molecole.
Le tracce dell’idrogeno nel mantello
L’attenzione si è concentrata sull’idrogeno, particolarmente complesso da analizzare per la sua leggerezza. I ricercatori hanno esaminato il rapporto tra deuterio e idrogeno, cioè la proporzione tra l’isotopo più pesante e quello comune, per verificare se l’idrogeno più leggero potesse risalire attraverso pennacchi di magma fino alla superficie. Le simulazioni indicano però che, durante la cristallizzazione, la separazione degli isotopi tra minerali e magma sarebbe stata limitata. Il mantello primordiale avrebbe quindi avuto un rapporto deuterio-idrogeno sostanzialmente uniforme, anche considerando ampie variazioni di pressione, temperatura e ipotesi del modello.
IsadoraofIbiza/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0
Il fattore decisivo, secondo lo studio, era la composizione isotopica iniziale dell’idrogeno nell’oceano di magma. Altre variabili, come la quantità iniziale di acqua — stimata fino a due volte la massa degli oceani terrestri — avevano un’influenza ridotta. Le condizioni estreme della Terra primordiale, spiegano i ricercatori, erano troppo caotiche ed energetiche perché deuterio e idrogeno si separassero ordinatamente nei diversi strati del pianeta.
Gli indizi nei basalti delle isole oceaniche
Un indizio degli scambi tra nucleo e mantello arriva dai basalti delle isole oceaniche, o OIB, lave generate da risalite di materiale proveniente da zone vicine al confine tra i due strati. Si trovano, per esempio, sull’isola di Baffin, nel Nunavut canadese, e in Islanda. Queste rocce sembrano trasportare idrogeno leggero proveniente dalla nebulosa solare, la nube da cui nacque il Sistema solare. Quando l’idrogeno fuoriesce dal nucleo e raggiunge il mantello, ne abbassa il rapporto tra deuterio e idrogeno.
Anche l’elio offre elementi a sostegno di questa interpretazione. L’elio-3, più leggero, è primordiale e proviene dalla nebulosa solare; l’elio-4, più pesante, si forma invece attraverso il decadimento radioattivo negli strati superiori della Terra. Un rapporto elevato tra elio-3 ed elio-4 nei basalti delle isole oceaniche rafforza l’ipotesi che l’elio stia risalendo dal nucleo.
Un ulteriore indizio è il tungsteno, metallo pesante che durante la formazione del pianeta rimase concentrato nel nucleo, mentre gli strati terrestri si separavano. Oggi un suo isotopo, confinato nelle profondità in tempi remoti, viene trasportato verso l’alto dai pennacchi di materiale. Insieme ai rapporti isotopici di idrogeno ed elio, permette così di seguire le tracce di elementi provenienti dal nucleo.
Le firme isotopiche della Terra
I risultati non escludono che in passato siano esistiti serbatoi primordiali nel mantello profondo. Indicano però che le firme isotopiche dell’idrogeno osservate oggi nel mantello inferiore difficilmente sono soltanto reliquie della differenziazione iniziale della Terra. Secondo i ricercatori, riflettono piuttosto le trasformazioni dinamiche prodotte dagli scambi tuttora in corso tra nucleo e mantello. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances.
Zhang et al., Sci. Adv., 2026
Fonte: sciencealert.com
