“Se ti cadono le chiavi in un fiume di lava fusa, lasciale andare, perché, amico, sono andate.” -Jack Handey
Date un’occhiata al nostro pianeta, la Terra, e una delle cose che noterete è che oltre il 70% della superficie è ricoperta d’acqua.
Sappiamo tutti il perché di questo, naturalmente: è perché gli oceani della Terra galleggiano sopra le rocce e lo sporco che costituiscono ciò che conosciamo come terra.
Questo concetto di galleggiamento e galleggiamento – dove gli oggetti meno densi si innalzano sopra quelli più densi, che affondano sul fondo – fa molto più che spiegare gli oceani.
Questo stesso principio spiega perché il ghiaccio galleggia sull’acqua, perché un palloncino di elio sale nell’atmosfera o perché i sassi affondano sul fondo di un lago, l’ultimo dei quali è che l’acqua meno densa sale intorno al sasso. Questo stesso principio – di galleggiamento – spiega anche perché la Terra è stratificata come è.
La parte meno densa della Terra, l’atmosfera, galleggia sopra gli oceani acquosi, che a loro volta galleggiano sopra la crosta terrestre, che si trova sopra il mantello più denso, che a sua volta non può scendere nella sezione più densa della Terra: il nucleo.
In effetti, lo stato più stabile che la Terra possa concepire è uno stato perfettamente stratificato come una cipolla, con gli elementi più densi tutti verso il centro, e ogni strato esterno progressivamente composto da elementi meno densi. Infatti, ogni terremoto che si verifica sulla Terra è in realtà il pianeta che si avvicina di un piccolissimo passo a quello stato ideale, poiché la nostra velocità di rotazione accelera leggermente in seguito a ciascuno di essi.
E questa immagine del nostro mondo, stratificato per densità con strati meno densi che circondano quelli progressivamente più densi, interni, spiega la struttura non solo della Terra, ma di tutti i pianeti. Tutto quello che dobbiamo fare è ricordare da dove provengono tutti questi elementi.
Quando l’Universo era molto giovane – solo pochi minuti di vita – praticamente gli unici elementi esistenti erano idrogeno ed elio. Tutti quelli più pesanti venivano prodotti nelle stelle, e solo quando queste stelle morivano, questi elementi pesanti venivano riciclati di nuovo nell’Universo, permettendo la formazione di nuove generazioni di stelle.
Ma questa volta, un mix di tutti questi nuovi elementi – non solo idrogeno ed elio, ma carbonio, azoto, ossigeno, silicio, magnesio, zolfo, ferro e altro – va a formare non solo nuove stelle, ma un disco protoplanetario intorno a ciascuna di queste stelle.
La pressione verso l’esterno della nuova stella in formazione spinge preferibilmente gli elementi più leggeri verso le parti esterne del sistema solare, mentre la gravità fa collassare le instabilità del disco e forma quelli che diventeranno pianeti.
Nel caso del nostro sistema solare, i quattro mondi più interni sono i quattro pianeti più densi del sistema solare, con Mercurio composto dagli elementi più densi. Tutti e quattro non sono stati in grado di trattenere gravitazionalmente le grandi quantità di idrogeno ed elio con cui si sono formati, impedendo loro di diventare giganti gassosi come gli altri quattro pianeti del nostro sistema solare.
Ma i pianeti esterni, essendo sia più massicci che più lontani dal Sole (e quindi ricevendo meno radiazioni), sono riusciti a trattenere grandi quantità di questi elementi ultraleggeri, e hanno formato i giganti gassosi.
Ognuno di questi mondi, un po’ come la Terra, ha – nel complesso – gli elementi più densi concentrati nel nucleo, con quelli più leggeri che formano strati progressivamente meno densi intorno.
Non dovrebbe essere una grande sorpresa che il ferro, l’elemento più stabile e l’elemento più pesante prodotto in grande abbondanza al di fuori delle supernovae, sia l’elemento più abbondante nel nucleo della Terra. Ma potrebbe sorprenderti sapere che, tra il nucleo interno solido e il mantello solido, si trova uno strato liquido spesso più di 2.000 chilometri: il nucleo esterno della Terra.
Molto simile alla disgustosa gomma da masticare che tua nonna portava in giro, la Terra ha un enorme strato liquido al suo interno, che contiene ben il 30% della massa del nostro pianeta! Il modo in cui sappiamo che il nucleo esterno è liquido è piuttosto brillante: dalle onde sismiche prodotte dai terremoti!
Ci sono due diversi tipi di onde sismiche prodotte nei terremoti: l’onda di compressione primaria, nota come onda P, che funziona come un impulso attraverso una molla,
e l’onda di taglio secondaria, nota come onda S, che si propaga come le onde sulla superficie del mare.
Entrambe le onde viaggiano in un guscio sferico verso l’esterno dal loro punto di origine sulla Terra, colpendo e increspando non solo la superficie vicino al loro epicentro, ma tutto il mondo! Le stazioni di monitoraggio sismico in tutto il mondo sono attrezzate per captare sia le onde P che le onde S, ma le onde S non viaggiano attraverso il liquido (sono attenuate, però), mentre le onde P non solo viaggiano attraverso il liquido, ma vengono rifratte!
Come risultato di questo, possiamo imparare che la Terra ha un nucleo esterno liquido, un mantello solido esterno, e un nucleo solido interno! Ecco come mai la Terra ha gli elementi più pesanti e densi nel suo nucleo, e come sappiamo che il suo nucleo esterno è uno strato liquido.
Ma perché il nucleo esterno è liquido? Come tutti gli elementi, se il ferro è solido, liquido, gas o “altro” dipende sia dalla pressione che dalla temperatura del ferro.
Il ferro, tuttavia, è molto più complicato di molti elementi a cui siete abituati. Certo, può assumere una varietà di fasi solide cristalline, come mostrato sopra, ma non siamo interessati a queste normali pressioni, mostrate nei diagrammi sopra. Stiamo scendendo fino al nucleo della Terra, dove la pressione non è solo qualche volta (o anche qualche centinaio di volte) la pressione atmosferica a cui siamo abituati, ma piuttosto milioni di volte quella del livello del mare. Come appare il diagramma di fase per pressioni eccessive come quella?
La cosa meravigliosa della scienza è che anche quando non sai la risposta così su due piedi, è probabile che qualcuno abbia fatto la ricerca dove puoi trovare la risposta! In questo caso, Ahrens, Collins e Chen, 2001 hanno la risposta che stiamo cercando!
Mentre questo diagramma mostra pressioni tremende – fino a 120 GigaPascal – è importante ricordare che la nostra atmosfera ha solo 0,0001 GigaPascal, mentre il nucleo interno sperimenta pressioni di circa 330-360 Gpa! La linea solida più in alto rappresenta il confine tra il ferro fuso (sopra la linea) e il ferro solido (sotto). Ma notate come, proprio sul bordo della linea solida, prende una brusca svolta verso l’alto?
A 330 GigaPascal, ci vuole una temperatura tremenda, qualcosa di paragonabile a quella che si trova sulla superficie del Sole, per fondere il ferro. Quelle stesse temperature, però, a pressioni più basse, manterranno facilmente il ferro nella sua fase liquida, mentre a pressioni più alte vedranno il ferro formare un solido. Cosa significa questo per il nucleo della Terra?
La temperatura più alta – al centro della Terra – che il nostro pianeta raggiunge è poco meno di 6.000 Kelvin, mentre la temperatura di fusione del ferro al confine tra nucleo interno e nucleo esterno è stata recentemente stimata intorno a quel valore.
Ma ecco il bello: la Terra si raffredda nel tempo, poiché il suo calore viene irradiato nello spazio esterno più velocemente di quanto genera il proprio calore dal decadimento radioattivo. All’interno della Terra, la sua temperatura interna scende, mentre la pressione rimane costante.
In altre parole, quando la Terra si è formata, era più calda; è molto probabile che l’intero nucleo fosse una volta liquido, e mentre continua a raffreddarsi, il nucleo interno continua a crescere! E mentre questo accade, poiché il ferro solido ha una densità maggiore di quello liquido, la Terra si contrarrà leggermente, rendendo necessario cosa?
Più terremoti!
Quindi il nucleo della Terra è liquido perché è abbastanza caldo da fondere il ferro, ma solo in posti dove la pressione è abbastanza bassa. Mentre la Terra continua a invecchiare e a raffreddarsi, sempre più nucleo diventa solido, e quando ciò avviene, la Terra si restringe un po’!
Se vogliamo guardare lontano nel futuro, possiamo aspettarci di acquisire alla fine caratteristiche come le grandi cicatrici trovate su Mercurio!
Perché è così piccolo, Mercurio si è già raffreddato e contratto enormemente, e ha crepe lunghe centinaia di miglia in cui è stato costretto a contrarsi a causa di questo raffreddamento!
Quindi, in definitiva, perché la Terra ha un nucleo liquido? Perché non ha ancora finito di raffreddarsi! E ogni terremoto che senti è la Terra che si avvicina un po’ di più al suo stato finale, raffreddato, solido fino in fondo!
(Non preoccuparti, però, il Sole esploderà e tu e tutti quelli che conosci saranno morti per molto tempo prima che questo accada!
