Il campo magnetico globale della terra svolge un ruolo vitale nella nostra vita quotidiana, proteggendoci dalle radiazioni solari nocive. Il campo magnetico, che esiste da miliardi di anni, è causato da una dinamo—o generatore—all’interno del ferro per lo più fuso all’interno della terra; questo ferro liquido si agita in un processo chiamato convezione. Ma la convezione non avviene da sola. Ha bisogno di una forza trainante—una fonte di energia. Ora, lo studente laureato Joseph O’Rourke e David Stevenson, Marvin L. Goldberger Professore di Scienze planetarie del Caltech, hanno proposto un nuovo meccanismo in grado di alimentare questa convezione all’interno della terra per tutta la storia della terra.
Un documento che descrive i risultati appare nel numero di Nature del 21 gennaio.
La convezione può essere vista in tali fenomeni quotidiani come una pentola di acqua bollente. Il calore sul fondo della pentola fa sì che le sacche di liquido diventino meno dense del fluido circostante e quindi aumentino. Quando raggiungono la superficie, le sacche di liquido si raffreddano e affondano di nuovo. Questo stesso processo si verifica nello strato di 1.400 miglia di spessore di metallo fuso che costituisce il nucleo esterno.
La terra è costituita principalmente dal mantello (materiale solido costituito da ossidi e silicati in cui il magnesio è prominente) e dal nucleo (principalmente ferro). Queste due regioni sono solitamente pensate come completamente separate; cioè, i materiali del mantello non si dissolvono nei materiali del nucleo. Non si mescolano a livello atomico, tanto quanto l’acqua di solito non si mescola con l’olio. Il nucleo ha una parte interna solida che è cresciuta lentamente in tutta la storia della terra, mentre il ferro liquido nell’interno del pianeta si solidifica. La parte esterna e liquida del nucleo è uno strato di ferro fuso mescolato con altri elementi, tra cui silicio, ossigeno, nichel e una piccola quantità di magnesio. Stevenson e O’Rourke propongono che il trasferimento dell’elemento magnesio sotto forma di minerali del mantello dal nucleo esterno alla base del mantello è il meccanismo che alimenta la convezione.
Il Magneisum è un elemento importante nel mantello, ma ha una bassa solubilità nel nucleo di ferro tranne che a temperature molto elevate—superiori a 7.200 gradi Fahrenheit. Mentre il nucleo terrestre si raffredda, gli ossidi di magnesio e i silicati di magnesio cristallizzano dal nucleo esterno metallico e liquido, tanto quanto lo zucchero che è stato sciolto in acqua calda precipiterà come cristalli di zucchero quando l’acqua si raffredda. Poiché questi cristalli sono meno densi del ferro, salgono alla base del mantello. Il metallo liquido più pesante lasciato alle spalle poi affonda, e questo movimento, sostiene Stevenson, potrebbe essere il meccanismo che ha sostenuto la convezione per oltre tre miliardi di anni—il meccanismo che a sua volta alimenta il campo magnetico globale.
“La precipitazione di minerali portanti magnesio dal nucleo esterno è 10 volte più efficace nel guidare la convezione rispetto alla crescita del nucleo interno”, afferma O’Rourke. “Tali minerali sono molto galleggianti e i movimenti fluidi risultanti possono trasportare il calore in modo efficace. Il nucleo ha solo bisogno di precipitare verso l’alto uno strato di minerali di magnesio 10 chilometri di spessore—che sembra molto, ma non è molto sulla scala dei nuclei interni ed esterni—al fine di guidare la convezione del nucleo esterno.”
I modelli precedenti presumevano che il costante raffreddamento del ferro nel nucleo interno avrebbe rilasciato calore che potrebbe alimentare la convezione. Ma la maggior parte delle misurazioni e della teoria negli ultimi anni per la conduttività termica del ferro-la proprietà che determina l’efficienza con cui il calore può fluire attraverso un metallo-indica che il metallo può facilmente trasferire calore senza subire movimento. “Il riscaldamento del ferro nella parte inferiore del nucleo esterno non lo farà salire in modo vivace—dissiperà il calore nei suoi dintorni”, dice O’Rourke.
“Dave ha avuto l’idea di una dinamo alimentata a magnesio per un po’, ma non doveva esserci magnesio nel nucleo della Terra”, dice O’Rourke. “Ora, i modelli di formazione planetaria nel primo sistema solare stanno dimostrando che la Terra ha subito frequenti impatti con corpi planetari giganti. Se questi eventi violenti ed energetici si fossero verificati, la Terra avrebbe sperimentato temperature molto più elevate durante la sua formazione di quanto si pensasse in precedenza—temperature che sarebbero state abbastanza alte da consentire al magnesio di mescolarsi in ferro metallico liquido.”
Questi modelli hanno permesso di perseguire l’idea che la dinamo possa essere alimentata dalla precipitazione di minerali portanti magnesio. O’Rourke ha calcolato che le quantità di magnesio che si sarebbero dissolte nel nucleo durante le prime fasi calde della Terra avrebbero causato altri cambiamenti nella composizione del mantello che sono coerenti con altri modelli e misurazioni. Ha anche calcolato che la precipitazione di questi minerali di magnesio avrebbe abbastanza energia per alimentare la dinamo per quattro miliardi di anni.
La verifica sperimentale della quantità di magnesio che può entrare nel nucleo è ancora scarsa, dicono O’Rourke e Stevenson. “Ulteriori applicazioni del nostro meccanismo proposto includono Venere—dove non c’è campo magnetico—e gli abbondanti esopianeti che sono più massicci della Terra ma possono avere composizioni chimiche simili”, dice Stevenson.